Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики

Зачем нужна квантовая теория гравитации?

Что еще осталось узнать о мозге и мышлении такого, чего мы не выяснили в предыдущей главе? Хотя мы уже кратко рассмотрели некоторые из всеобъемлющих физических принципов, лежащих в основе направленности воспринимаемого нами «потока времени», нам все же пока не удалось понять не только почему мы воспринимаем время как нечто текущее, но даже почему мы вообще его воспринимаем. Я считаю, что тут необходимы гораздо более радикальные идеи. До сих пор мое изложение особым радикализмом не отличалось, хотя в некоторых случаях расстановка акцентов была далека от традиционной. Мы ознакомились со вторым началом термодинамики, и я попытался убедить читателя в том, что этот закон — данный нам в виде, выбранном самой природой, — уходит своими корнями в чрезвычайно сильное геометрическое ограничение на происхождение вселенной в результате Большого взрыва — гипотезу о вейлевской кривизне . Некоторые космологи предпочитают интерпретировать это исходное ограничение иначе, но такого рода ограничение на начальную сингулярность действительно является необходимым. Выводы, которые я собираюсь сделать из этой гипотезы, будут гораздо менее традиционными, чем сама гипотеза. Я утверждаю, что потребуются изменения в самих основах квантовой теории!

Эти изменения должны сыграть свою роль при объединении квантовой механики с общей теорией относительности, т. е. в рамках искомой квантовой теории гравитации . Большинство физиков не считают необходимым что-либо менять в квантовой теории при ее объединении с общей теорией относительности. Более того, они утверждают, что на пространственных масштабах, имеющих значение для нашего мозга, эффекты любой квантовой теории гравитации пренебрежимо малы! Они отмечают (и весьма резонно), что хотя такого рода физические эффекты действительно могут оказаться существенными на абсурдно малых пространственных масштабах, сравнимых с так называемой планковской длиной [188]что составляет 10 ^-35 м — т. е. примерно в 100 000 000 000 000 000 000 раз меньше размера самой маленькой из субатомных частиц, — эти эффекты тем не менее никоим образом напрямую не затрагивают явления, происходящие на много-много бо́льших «обычных» пространственных масштабах, от 10 ^-12 м и более, там, где правят бал химические и электрические процессы, важные для деятельности мозга. Собственно говоря, даже классическая(то есть неквантовая) теория гравитации почти никак не затрагивает эти электрические и химические процессы. Если классической гравитацией можно пренебречь, то какое может иметь значение любая ничтожно малая «квантовая поправка» к классической теории? Более того, поскольку отклонения от квантовой теории до сих пор не наблюдались, то тем более представляется лишенной всяких оснований сама мысль о каком бы то ни было влияний на процессы мышления любого ничтожно малого гипотетического отклонения от стандартной квантовой теории!

Я же буду рассуждать совсем иначе. Меня интересует не столько влияние квантовой механики на теорию структуры пространства-времени (теорию относительности Эйнштейна), сколько возможное обратное влияние эйнштейновской теории пространства-времени на саму структуру квантовой механики. Я хочу подчеркнуть, что предлагаемая мною точка зрения нетрадиционна. Нетрадиционным является предположение о самой возможности влияния общей теории относительности на структуру квантовой механики! Традиционная физика относится с большим предубеждением к любым попыткам что-либо изменить в стандартной структуре квантовой механики. Несмотря на, по-видимому, непреодолимые трудности, возникающие при попытках непосредственного применения правил квантовой механики к теории Эйнштейна, работающие в этой области исследователи, как правило, делали отсюда вывод о необходимости корректировки теории Эйнштейна, а не квантовой механики [189]. Я же придерживаюсь практически противоположной точки зрения и считаю, что проблемы самой квантовой теории носят фундаментальный характер. Вспомним о несовместимости двух основных ее процедур — U и R( U подчиняется совершенно детерминистскому уравнению Шредингера — это так называемое уравнение унитарной эволюции, a R представляет собой вероятностную редукцию вектора состояния, необходимость в которой возникает всякий раз, когда предполагается, что было сделано «наблюдение»). По-моему, эту несовместимость нельзя адекватно разрешить простой подходящей «интерпретацией» квантовой механики (хотя эта точка как раз и является господствующей), — ее устранение возможно лишь в рамках новой теории, коренным образом отличной от существующей, в которой процедуры U и R будут рассматриваться как различные (и очень хорошие) приближения к более всеобъемлющей и точной единой процедуре. Моя точка зрения, следовательно, состоит в том, что даже такая изумительно точная теория, как квантовая механика, потребует изменений, и что именно теория относительности Эйнштейна позволит лучше всего понять характер этих изменений. Я пойду еще дальше, утверждая, что речь идет именно об искомой квантовой теории гравитации , одним из компонентов которой должна как раз стать предполагаемая единая процедура U/ R.

С другой стороны, с общепринятой точки зрения любые прямые следствия квантовой теории гравитации должны иметь более эзотерический характер. Я уже упоминал об ожидаемом радикальном изменении структуры пространства-времени на абсурдно малых масштабах порядка планковской длины. Существует мнение (и, по-моему, вполне обоснованное), что квантовая теория гравитации должна сыграть фундаментальную роль в окончательном установлении природы наблюдаемого «зоопарка элементарных частиц». Например, сейчас у нас нет хорошей теории, которая бы объяснила, почему массы частиц именно таковы, каковы они есть — а ведь понятие «массы» теснейшим образом связано с понятием гравитации. (Действительно, единственное действие массы — быть «источником» гравитации.) К тому же не без оснований считается, что (согласно идее, выдвинутой где-то около 1955 года шведским физиком Оскаром Клейном) правильная квантовая теория гравитации обязана устранить расходимости, преследующие обычную квантовую теорию поля (см. Глава 6. «Квантовая теория поля»). Физика представляет собой единое целое, и правильная квантовая теория гравитации, когда она, наконец, будет построена, должна стать основой нашего досконального понимания универсальных законов природы.

Мы, однако, пока еще далеки от такого понимания. Более того, вне всякого сомнения любая гипотетическая квантовая теория гравитации не будет иметь практически никакого отношения к явлениям, управляющим поведением мозга. Особенно далеки от деятельности мозга могут оказаться те (общепринятые) аспекты квантовой теории гравитации, которые необходимы для выхода из тупика, в который мы попали в предыдущей главе, а именно для разрешения проблемы пространственно-временны́х сингулярностей— сингулярностей классической теории Эйнштейна, которые возникают в момент большого взрыва и в черных дырах, а также при большом коллапсе— если наша вселенная решит в конце концов сколлапсировать сама на себя. Конечно же, эта роль квантовой теории гравитации вполне может показаться далекой [от проблем деятельности мозга]. Я, однако, утверждаю, что тут все же имеется почти неуловимая, но важная логическая связь. Постараемся выяснить, в чем она состоит.

Что скрывается за гипотезой о вейлевской кривизне?

Как я уже отмечал, даже согласно традиционной точке зрения именно квантовая теория гравитации должна прийти на помощь классической общей теории относительности и решить проблему пространственно-временны́х сингулярностей. Так, квантовая теория гравитации должна дать непротиворечивое физическое описание взамен бессмысленного «бесконечного» результата классической теории. Я безусловно согласен с этой точкой зрения: это как раз та самая ситуация, где квантовая теория гравитации должна проявить себя в полной мере. Однако, теоретики не могут смириться с тем поразительным фактом, что проявления квантовой теории гравитации вопиющим образом асимметричны во времени! В случае Большого взрыва — прошлой сингулярности— квантовая теория гравитации должна требовать выполнения условия типа

ВЕЙЛЬ= 0

в тот момент, когда приобретает смысл описание в терминах классических понятий геометрии пространства-времени. С другой стороны, для сингулярностей, расположенных внутри черных дыр, и (возможно) для сингулярности большого коллапса — т. е. для будущих сингулярностей— такого рода ограничение отсутствует, и мы полагаем, что по мере приближения к такой сингулярности тензор Вейля стремится к бесконечности:

ВЕЙЛЬ→ ∞.

Я считаю это обстоятельство несомненным свидетельством асимметричности во времени искомой истинной теории. Итак:

Хочу предупредить здесь читателя, что приведенный вывод, несмотря на его очевидность, с неизбежностью вытекающей из изложенных выше рассуждений, не является, тем не менее, общепринятым! Большинство исследователей, работающих в рассматриваемой области науки, крайне неохотно встают на эту точку зрения. Причина, по-видимому, кроется в отсутствии ясного способа, каким привычные и (насколько можно судить) хорошо нами понятые процедуры квантования могли бы породить асимметричную во времени [190]квантовую теорию при том, что классическая теория, к которой упомянутые процедуры применяются (стандартная общая теория относительности или ее модификации), сама по себе симметрична во времени. Соответственно, эти специалисты по квантованию гравитации вынуждены (если они вообще задаются подобными вопросами — что случается не так уж и часто) искать другие «объяснения» малого значения энтропии при Большом взрыве.

Многие физики могут возразить, что гипотезы, подобные предположению о нулевом начальном значении вейлевской кривизны, — представляя собой выбор «граничного условия», а не динамические законы, — находятся за пределами наших возможностей объяснения. Они утверждают, по сути, что в данном случае мы имеем дело с «актом Творца» и нечего даже и пытаться понять, почему нам дано именно это граничное условие, а не какое-нибудь другое. Однако, как мы уже убедились выше, ограничение, накладываемое рассматриваемой гипотезой на «булавку Творца», по своей исключительности и точности не уступает той потрясающей и тончайшим образом организованной хореографии динамических законов, к пониманию которых мы пришли через уравнения Ньютона, Максвелла, Эйнштейна, Шредингера, Дирака и др. Хотя второе начало термодинамики и может показаться нечетким и статистическим по своей природе, оно тем не менее вытекает из чрезвычайно точного геометрического ограничения. Поскольку научное осмысление доказало свою ценность как способ понимания динамических уравнений, мне представляется неразумным впадать в отчаяние и терять всякую надежду на научное постижение ограничений, действовавших в случае «граничного условия», каким являлся Большой взрыв. С моей точки зрения, как одно, так и другое являются частью науки, хотя и той частью, которая нами — пока еще — недостаточно понята.

История науки продемонстрировала, насколько ценной для физики оказалась идея отделения динамических уравнений(законов Ньютона, уравнений Максвелла и т. д.) от так называемых граничных условий— то есть условий, необходимых для выделения из огромного множества решений того, что имеет физический смысл. Исторически простые формулировки были найдены именно для динамических уравнений. Движения частиц подчиняются простым законам, а вот о встречающихся во вселенной реальных конфигурациях частиц это, похоже, можно сказать нечасто. Иногда эти конфигурации на первый взгляд выглядят простыми — как, например, в случае планетных орбит, эллиптическая форма которых была установлена Кеплером, — но простота их в дальнейшем оказалась следствием динамических законов. Более глубокое понимание всегда достигалось через динамические законы, а простые конфигурации, подобные вышеописанной, как правило оказывались просто приближениями к более сложным конфигурациям вроде возмущенных (уже не совсем эллиптических) реально наблюдаемых движений планет, которые находят свое объяснение в динамических уравнениях Ньютона. Граничные условия служат для «запуска» рассматриваемой системы, после чего за дело принимаются динамические законы. Сам факт возможности отделения проблемы динамического поведения от вопроса о конфигурации реального содержимого вселенной представляет собой одно из важнейших достижений физической науки.

Я сказал, что исторически это разделение на динамические уравнения и граничные условия сыграло чрезвычайно важную роль. Сама же возможность такого разделения представляет собой свойство конкретного типа уравнений (дифференциальных уравнений), который, как кажется, всегда возникает в физике. Но я не верю, что это разделение сохранится навечно. По-моему, когда нам удастся окончательно постичь законы или принципы, в действительности управляющие поведением нашей вселенной, — а не просто те изумительные приближения, к пониманию которых мы уже пришли и которые суть составные части наших ПРЕВОСХОДНЫХ современных теорий, то увидим, как различие между динамическими уравнениями и граничными условиями исчезнет, уступив место потрясающе согласованной всеобъемлющей схеме. Разумеется, утверждая это, я выражаю исключительно свое собственное мнение, с которым многие могут не согласиться. Но именно эту точку зрения я имею в виду, когда стараюсь нащупать следствия из пока неизвестной квантовой теории гравитации. (Под этим углом будут рассмотрены также некоторые наиболее спекулятивные рассуждения последней главы.)

Как же можно изучать следствия неизвестной еще теории? Это, однако, не обязательно столь безнадежно, как кажется. Главное здесь — быть последовательными! Сначала я попрошу вас допустить, что наша гипотетическая теория, далее называемая ПКТГ(«правильная квантовая теория гравитации»), должна объяснить гипотезу о вейлевской кривизне ( ГВК). Это значит, что в непосредственном ближайшем будущем начальная сингулярность должна удовлетворять условию ВЕЙЛЬ= 0 . Это ограничение не должно противоречить законам ПКТГ и поэтому обязано соблюдаться для любой начальной сингулярности, а не только той, что мы называем Большим взрывом. При этом я никоим образом не утверждаю существование в нашей реальной вселенной каких бы то ни было других начальных сингулярностей, отличных от Большого взрыва, но всего лишь говорю, что такая сингулярность, если бы она существовала, должна удовлетворять ограничению, накладываемому ГВК. Начальная сингулярность — это сингулярность, из которой, в принципе, могут возникать частицы. Такие сингулярности ведут себя противоположно черным дырам — конечным сингулярностям, в которые частицы могут падать.

Одним из возможных примеров начальной сингулярности, отличной от Большого взрыва, может быть сингулярность белой дыры, которая, как мы помним из главы 7, представляет собой обращенную во времени черную дыру (см. рис. 7.14). Но, как мы уже видели, сингулярности внутри черных дыр удовлетворяют условию ВЕЙЛЬ→ ∞, поэтому и для белых дыр должно выполняться ВЕЙЛЬ→ ∞. Однако теперь сингулярность стала начальной и для нее, согласно ГВК, должно выполняться условие ВЕЙЛЬ= 0 . Таким образом, ГВК делает существование белых дыр в нашей вселенной невозможным! (К счастью, этот результат не только желателен из термодинамических соображений — поскольку белые дыры были бы вопиющим нарушением второго начала термодинамики — но к тому же согласуется с наблюдательными данными! Время от времени разными астрофизиками предпринимались попытки объяснить некоторые явления, предполагая существование белых дыр, но такие гипотезы всегда создавали гораздо больше проблем, чем решали.) Заметьте, что сам Большой взрыв я не называю «белой дырой». Белая дыра должна содержать локализированную начальную сингулярность, для которой выполнение условия ВЕЙЛЬ = 0 невозможно, в то время как всеобъемлющий Большой взрыв может удовлетворять условию ВЕЙЛЬ= 0 , и существование такого взрыва допускается ГВК при условии выполнения соответствующего ограничения.

Примером еще одного вида начальных сингулярностей является точка взрыва черной дыры, окончательно исчезающей, после, скажем, 10 ⁶⁴ лет хокинговского испарения (см. Глава 7. «Насколько особым был Большой взрыв?», а также Глава 8. «Ящик Хокинга: связь с гипотезой о вейлевской кривизне?»)! Точная природа этого (весьма правдоподобно аргументированного) явления является предметом многочисленных теоретических гипотез. Я думаю, что никакого противоречия с ГВК здесь нет. Такого рода (локализированный) взрыв может быть практически мгновенным и симметричным, и я не вижу здесь никакого конфликта с гипотезой ВЕЙЛЬ= 0 . Во всяком случае, если предположить, что черных мини-дыр не существует (Глава 7. «Насколько особым был Большой взрыв?»), то первый такой взрыв вряд ли произойдет раньше, чем вселенная просуществует в 10 ⁵⁴ раз больше современного возраста Т . Чтобы получить представление о величине 10 ⁵⁴ х Т , мысленно уменьшим Т до самого короткого измеримого промежутка времени, равного времени распада самой короткоживущей из нестабильных частиц. В полученной таким образом шкале времени современный возраст вселенной окажется меньше 10 ⁵⁴ х Т в миллион миллионов раз!

Кто-нибудь может посмотреть на все это с другой точки зрения. Мне могут возразить [191], что ПКТГ не обязана быть асимметричной во времени, а должна лишь допускать на самом деле два типа сингулярностей, для одних из которых должно выполняться равенство ВЕЙЛЬ= 0 , а для вторых возможно ВЕЙЛЬ→ ∞. В нашей вселенной оказалась сингулярность первого типа, и наше восприятие направления течения времени (в силу вытекающего отсюда второго начала термодинамики) помещает эту сингулярность туда, где находится наше так называемое «прошлое», а не «будущее». По-моему, однако, соображение это в таком виде не выдерживает критики. Оно не объясняет отсутствие других начальных сингулярностей типа ВЕЙЛЬ→ ∞ (а также отсутствие других начальных сингулярностей типа ВЕЙЛЬ= 0 ). Почему, если согласиться с этой точкой зрения, вселенная не усеяна белыми дырами? Поскольку она, как мы предполагаем, кишит черными дырами, отсутствие белых дыр требует объяснения [192].

Другое соображение, иногда привлекаемое в связи с рассматриваемой проблемой, — это так называемый антропный принцип (см. Барроу, Типлер [1986]). Согласно этому соображению, конкретная вселенная, обитателями которой мы сейчас являемся, выбрана из всех возможных вселенных потому, что в ней должны существовать мы (или, по крайней мере какие-нибудь чувствующие существа), чтобы ее было кому наблюдать! (Я вернусь к обсуждению антропного принципа в главе 10.) На этом основании утверждается, что разумные существа могут населять только вселенные с Большим взрывом очень определенного типа — и поэтому следствием этого принципа должно быть что-то вроде ГВК. Однако, это соображение не позволяет и близко подойти к числу,

полученному в главе 7 («Насколько особым был Большой взрыв?»), которое характеризует степень «специфичности» Большого взрыва. Путем очень грубого расчета можно установить, что порождение солнечной системы со всем ее населением в результате случайных столкновений частиц обойдется гораздо «дешевле», а именно: соответствующая степень «невероятности» (измеряемая в терминах фазовых объемов) соответствует «всего лишь» одной доле из много менее чем.

Это все, что может дать антропный принцип, и нам еще чудовищно далеко до требуемого числа. Более того, соображения, основанные на антропном принципе, не в состоянии объяснить, как и обсуждавшаяся перед этим концепция, отсутствия белых дыр.

Временна́я асимметрия в редукции вектора состояния

По-видимому, нам действительно ничего не остается, как заключить, что ПКТГ должна быть асимметричной во времени теорией, одним из следствий которой является ГВК(или что-то вроде этого). Как же асимметричная во времени теория может получиться из симметричных во времени ингредиентов: квантовой теории и общей теории относительности? Есть, оказывается, несколько технических способов достижения этой цели, и ни один из них не исследовался достаточно глубоко (см. Аштекар и др. [1989]). Но я собираюсь подойти к проблеме с другой стороны. Как я уже отмечал, квантовая теория «симметрична во времени», но это в действительности относится только к части U теории (уравнению Шредингера и т. д.). Обсуждая временну́ю симметрию физических законов в начале главы 7, я умышленно избегал упоминания части R(коллапс волновой функции). Согласно преобладающей точке зрения R тоже должна быть, по-видимому, симметричной во времени. Своим существованием эта точка зрения может, в частности, быть обязана нежеланию признавать в R реальный независимый от U«процесс», вследствие чего из временно́й симметрии U должна бы также вытекать временная симметрия R. Я хотел бы возразить, что это не так : R асимметрична во времени — по крайней мере, если считать R просто процедурой, принятой физиками для расчета квантово-механических вероятностей.

Я сначала напомню вам используемую в квантовой механике так называемую процедуру редукции вектора состояния ( R) (см. рис. 6.23). Рис. 8.1 иллюстрирует (условно) характер предполагаемой эволюции вектора состояния | ψ ) в квантовой механике.

Как видим, этот характер довольно своеобразный: считается, что бо́льшую часть времени эволюция происходит в соответствии с унитарной эволюционной процедурой U(уравнение Шредингера), но в некоторые моменты времени, когда предполагается, что происходит «наблюдение» (или «измерение»), применяется R- процедура и вектор состояния скачком переходит в другой вектор состояния, | X ), где | X ) представляет собой одну из двух или нескольких ортогональных альтернативных возможностей | X ), | ψ ), | θ )…, определяемых природой конкретного производимого наблюдения О. Тогда вероятность р скачкообразного перехода от | ψ ) к | X ) определяется уменьшением квадрата длины | ψ ) ² вектора | ψ ) при проекции | ψ ) (в гильбертовом пространстве) на направление вектора | X ) (Математически это равно величине уменьшения | X ) ² при проекции вектора | X ) на направление | ψ ).) В таком виде эта процедура оказывается асимметричной во времени, поскольку сразу же после выполнения наблюдения О вектор состояния должен принадлежать к заданному множеству| X ), | ψ ), | θ )…, возможных значений, определяемых О, в то время как непосредственно перед наблюдением О вектор состояния должен был иметь значение | ψ ), которое не обязано быть равным ни одному из элементов упомянутого множества. Однако, это всего лишь кажущаяся асимметричность и она может быть устранена, если посмотреть на эволюцию вектора состояния с другой точки зрения. Рассмотрим квантово-механическое решение, обращенное во времени. Это экстравагантное описание проиллюстрировано на рис. 8.2.

Мы предполагаем, что вектор состояния равен | X ) непосредственно перед О, а не сразу после этого наблюдения, и применим процедуру унитарной эволюции вспять по времени вплоть до момента предыдущег о наблюдения О '. Предположим, что в результате обратной эволюции мы получим состояние, описываемое вектором | X') (сразу же после наблюдения О '). В нормальном описании эволюции вперед во времени, изображенном на рис. 8.1, сразу же вслед за О ' мы имели другое состояние | ψ') (результат наблюдения О ', при котором эволюция вперед во времени вектора | ψ') переводит его в | ψ ) в момент наблюдения О). Теперь в нашем обращенном во времени описании у вектора | ψ') тоже есть своя роль: он представляет состояние системы непосредственно перед О '. Вектор состояния | ψ') соответствует состоянию, фактически наблюдавшемуся в точке О ', так что с «обращенной» точки зрения мы рассматриваем | ψ') как результат наблюдения О ' в обращенном вспять времени. Расчетное значение квантовомеханической вероятности р', связывающее результаты наблюдений в точках О и О ', теперь определяется уменьшением величины | X'| ² при проекции | X') в направлении | ψ') (что равно уменьшению | ψ'| ²при проекции | ψ') в направлении | ψ')). То, что мы получим то же самое значение, что и раньше, является фундаментальным свойством оператора U [193].

Таким образом, может создаться видимость установления симметричности во времени квантовой теории даже в случае, когда помимо обычной процедуры унитарной эволюции U учитывается также и разрывный процесс, описываемый процедурой редукции R вектора состояния. Это, однако, неверно . Квантовая вероятность р описывает — независимо от того, как она рассчитывается — вероятность получить результат (а именно, | X )) в точке О при условии определенного результата (а именно, | ψ')) в точке О '. Эта вероятность не обязательно равна вероятности получить данный результат в точке О ' при условии данного результата в точке О, а ведь именно последнюю вероятность [194]и должна определить обращенная во времени квантовая механика. Просто удивительно, до чего много физиков молчаливо полагают эти две вероятности равными друг другу. (Я сам этим грешил — см. Пенроуз [1979б], с. 584.) Однако наиболее вероятно, что эти две вероятности совершенно различны и только первая из них правильно определяется в рамках квантовой механики!

Давайте поясним эту ситуацию на простом конкретном примере. Предположим, что у нас есть лампа L и фотоэлемент (то есть, детектор фотонов) Р . Между L и P разместим полупосеребренное зеркало М, наклонив его под углом равным, скажем, 45 ° к линии, соединяющей точки L и Р (рис. 8.3).

Предположим, что лампа время от времени случайным образом испускает фотоны, и что конструкция ее такова (в ней используются параболические зеркала), что фотоны всегда оказываются очень точно нацеленными на Р . При каждом попадании фотона на фотоэлемент последний регистрирует это событие, причем мы предполагаем, что устройство срабатывает со 100 %-ной надежностью. Предположим также, что каждый факт излучения фотона регистрируется в точке L и тоже со 100 %-ной надежностью. (Ни одно из этих идеализированных требований не противоречит принципам квантовой механики, хотя практическое достижение такой эффективности может представлять определенные трудности.)

Свойства полупосеребренного зеркала М таковы, что оно отражает в точности половину попадающих на него фотонов и пропускает остальную половину. Правильнее рассматривать это с точки зрения квантовой механики. Волновая функция фотона падает на зеркало и расщепляется на две волновых функции. Амплитуда отраженной части волны равна 1 /√ 2 , а амплитуда прошедшей части волны тоже равна 1 /√ 2 . Обе части волновой функции должны считаться «сосуществующими» (при нормальном описании вперед по времени) до того момента, когда предполагается имевшим место «наблюдение». В этой точке ситуация с одновременно сосуществующими альтернативами разрешается (в пользу одной или другой) фактически реализованной альтернативы с вероятностями, равными квадратам (модулей) соответствующих амплитуд, а именно ( 1 /√ 2 ) ² = 1 / 2 в обоих случаях. После выполнения наблюдения вероятности отражения или прохождения фотона действительно оказываются равными одной второй.

Посмотрим теперь, как все это соотносится с нашим экспериментом. Предположим, что зарегистрирован факт излучения фотона лампой L . Волновая функция фотона расщепляется на зеркале и приходит в точку Р с амплитудой, равной 1 /√ 2 , поэтому фотоэлемент либо регистрирует фотон, либо не регистрирует его — и то и другое с вероятностью, равной одной второй. Другая часть волновой функции фотона попадает в точку А на лабораторной стене(см. рис. 8.3) и тоже с амплитудой 1 /√ 2 . Если фотоэлемент Р не регистрирует событие, то фотон следует считать попавшим в лабораторную стену в точке А . Если бы в точке А находился другой фотоэлемент, то он регистрировал бы фотон всякий раз, когда фотоэлемент Р не регистрирует фотон, и не регистрировал бы фотон всякий раз, когда фотоэлемент регистрирует фотон. В этом смысле нет никакой необходимости устанавливать фотоэлемент в точке А . Мы можем определить, что сделал бы фотоэлемент в точке А , будь он там установлен, просто глядя на фотоэлементы в точках L и Р .

Теперь должно стать ясно, как выполняются расчеты в квантовой механике. Зададимся вопросом:

«Если известно, что лампа L сработала, то какова вероятность того, что сработал фотоэлемент Р ?»

Для ответа на этот вопрос учтем, что имеется амплитуда, равная 1 /√ 2 для фотона, прошедшего путь LMP , и амплитуда, равная 1 /√ 2 , для фотона, прошедшего путь LMA . Возведя эти амплитуды в квадрат, получаем соответствующие вероятности, равные 1 / 2 и 1 / 2 , попадания фотона в точки Р и А соответственно. Следовательно, на наш вопрос квантовая механика дает ответ, равный

« одной второй ».

И действительно, именно такой результат получился бы в случае проведения реального эксперимента.

Мы могли бы с таким же успехом использовать экстравагантную процедуру «с обращенным вспять временем» и получили бы тот же самый результат. Предположим, что мы зафиксировали факт срабатывания фотоэлемента в точке Р . Рассмотрим направленную вспять во времени волновую функцию фотона в предположении, что фотон в конце концов приходит в точку Р . Отслеживая эволюцию процесса назад во времени, мы видим, что фотон движется назад от Р , пока не достигнет зеркала М . В этой точке происходит бифуркация волновой функции и мы имеем амплитуду 1 /√ 2 того, что фотон достигнет лампы L , и амплитуда 1 /√ 2 того, что фотон претерпит отражение в точке М и придет в другую точку на лабораторной стене, а именно в точку В на рис. 8.3. Возводя соответствующие амплитуды в квадрат, мы снова получаем для обеих вероятностей значения, равные одной второй. Следует, однако, отдавать себе отчет в том, на какие именно вопросы отвечают эти вероятности. А вопросы следующие: «Если известно, что лампа L сработала, то какова вероятность срабатывания фотоэлемента Р ?» — тот же самый вопрос, что мы рассматривали до этого; и более экстравагантный вопрос: «Какова вероятность срабатывания фотоэлемента Р при условии, что известен факт испускания фотона из стены в точке В ?»

Мы можем рассматривать оба ответа как экспериментально «правильные» в определенном смысле, хотя второй ответ (испускание фотона из стены) скорее представляет собой логическое умозаключение, а не результат реально выполненного ряда экспериментов! Однако ни один из этих вопросов не является обращением во времени того, что был задан выше. Обращенный вспять во времени вопрос звучал бы так:

«Если известно, что фотоэлемент Р сработал, то какова вероятность того, что сработала лампа L ?»

Отметим, что правильный экспериментальный ответ на этот вопрос — это никакая не « одна вторая », а

« единица ».

В случае срабатывания фотоэлемента нет практически никаких сомнений в том, что фотон пришел от лампы, а не от лабораторной стены! На наш обращенный во времени вопрос проведенный в рамках квантовой механики расчет дал нам абсолютно неверный ответ!

Отсюда следует, что правила R- части квантовой механики просто-напросто неприменимы к такого рода обращенным во времени задачам. Если мы хотим рассчитать вероятность прошлого состояния исходя из известного состояния в будущем, то применение стандартной R- процедуры, которая заключается в простом возведении в квадрат модуля квантово-механической амплитуды, приводит к неверным результатам. Эта процедура пригодна только для расчета вероятностей будущих событий исходя из прошлых событий — и в этом случае она работает великолепно! Поэтому я считаю совершенно очевидным, что R- процедура не может быть симметрична во времени(и, между прочим, вследствие этого не выводима из симметричной во времени процедуры U).

Многие могут посчитать, что причина этого противоречия с временно́й симметрией состоит в том, что второму началу термодинамики каким-то образом все же удалось пролезть в цепь рассуждений и привнести дополнительную асимметрию во времени, не описываемую процедурой возведения амплитуды в квадрат. Действительно, кажется, что любой физический измерительный прибор, способный реализовать R- процедуру, должен содержать элемент «термодинамической необратимости» — так, что энтропия возрастает всякий раз, когда имеет место измерение. Я думаю, что процесс измерения должен быть фундаментальным образом связан со вторым началом термодинамики. Более того, по-видимому попытки обратить вспять во времени целиком весь процесс квантово-механического эксперимента, вроде описанного выше (идеализированного) опыта, с регистрацией всех проведенных измерений, бессмысленны. Я не задавался вопросом о том, как далеко мы можем пойти по пути действительного обращения эксперимента во времени. Меня интересовала только применимость этой замечательной квантово-механической процедуры, которая дает правильные вероятности через вычисление квадратов модулей амплитуд. Поразительно, что эта простая процедура применима в направлении от прошлого к будущему и при этом не требует никакой дополнительной информации о системе. Действительно, невозможность повлиять на эти вероятности, которые в квантовой теории являются абсолютно случайными, представляет собой одну из неотъемлемых частей рассматриваемой теории! Однако попытка применить те же самые процедуры в направлении от будущего к прошлому (т. е. не для предсказания будущего, а для установления прошлого) приводит к результату неверному до удивления. Можно приводить сколько угодно оправданий, смягчающих обстоятельств и других доводов для объяснения того, почему процедура возведения амплитуды в квадрат не дает правильных результатов в случае применения ее в направлении от будущего к прошлому, но факт остается фактом. А при рассмотрении ситуации от прошлого к будущему никакие оправдания попросту не нужны! Процедура R, в том виде, как она реально применяется, просто-напросто не является симметричной во времени.

Ящик Хокинга: связь с гипотезой о вейлевской кривизне?

Как бы то ни было, а читатель вне всякого сомнения подумает: какое все это имеет отношение к ГВК или ПКТГ? Действительно, второе начало термодинамики, в его настоящем виде, вполне может быть частью процедуры R, но вот где тут в этих непрерывных «каждодневных» актах редукции вектора состояния может найтись место сколь-нибудь заметным эффектам пространственно-временны́х сингулярностей?

Чтобы прояснить этот вопрос, я хочу, хотя и с совершенно иной целью, описать здесь фантастический «мысленный эксперимент», первоначально предложенный Стивеном Хокингом.

Представьте себе герметичный ящик чудовищных размеров. Его стенки предполагаются абсолютно отражающими и непроницаемыми для любого воздействия. Сквозь них не может пройти никакой материальный объект, в том числе никакой электромагнитный сигнал, нейтрино и вообще все что угодно. Стенки отражают обратно любой объект, независимо от того, приходит ли он снаружи или изнутри, и даже действие гравитации не может проникнуть сквозь них. Такие стенки невозможно сделать ни из одного существующего в природе вещества. Никто в действительности не в состоянии выполнить описанный ниже «эксперимент». (И, как мы увидим, никто и не захочет этого делать!) Важно не это. Целью мысленного эксперимента является раскрытие общих принципов путем простого мысленного рассмотрения в принципе выполнимых опытов. Технические проблемы игнорируются при условии, что они не связаны с рассматриваемыми общими принципами. (Вспомним дискуссию о шредингеровской кошке в главе 6.) В нашем случае проблемы сооружения стенок ящика должны рассматриваться с точки зрения стоящих перед нами целей как чисто «технические», и, следовательно, ими надо пренебречь.

Внутри ящика находится большое количество вещества. Для нас не имеет значения, что это за вещество. Нас интересует только его полная масса М , которая должна быть очень большой, а также большой объем V , в который она заключена. Что же мы собираемся делать с этим дорогостоящим ящиком, а также с его совершенно неинтересным содержимым? Мы произведем самый занудный из опытов, какой только можно себе вообразить. Оставим ящик в покое — навечно!

Нас интересует окончательная судьба того, что находится внутри. Согласно второму началу термодинамики, энтропия содержимого ящика должна возрастать, пока не достигнет максимума, а вещество — состояния «теплового равновесия». После этого уже не будет происходить практически ничего интересного, если не считать «флуктуаций», приводящих к (относительно) кратковременным отклонениям от теплового равновесия. В нашей ситуации мы полагаем М достаточно большим при соответствующем V (т. е. очень большом, но не слишком большом), так что к моменту достижения «теплового равновесия» большая часть вещества сколлапсирует в черную дыру, окруженную совсем небольшим количеством вещества, и излучения, которые образуют (очень холодную!) тепловую ванну с погруженной в нее черной дырой. Чтобы быть конкретнее, примем М равной массе Солнечной системы, а V — размеру Млечного Пути! В этом случае температура «ванны» составит всего 10 ^-7 градуса выше абсолютного нуля!

Чтобы лучше понять природу описываемых здесь равновесия и флуюуаций, вспомним понятие фазового пространства , с которым мы познакомились в главах 5 и 7, в частности, в связи с понятием энтропии. На рис. 8.4 условно изображено все фазовое пространство Р содержимого ящика Хокинга.

Как мы помним, фазовое пространство — это пространство с большим количеством измерений, каждая точка которого полностью отображает одно из возможных состояний рассматриваемой системы — в данном случае содержимого ящика. Таким образом, каждая точка Р содержит информацию о положениях и импульсах всех находящихся в ящике частиц, а также всю необходимую информацию о геометрии пространства-времени внутри ящика. Расположенная в правой части рис. 8.4 подобласть B(фазового пространства Р) представляет совокупность всех состояний с черной дырой внутри ящика (включая все случаи наличия более чем одной черной дыры), а расположенная слева область A представляет совокупность всех состояний без черных дыр. Представим себе дальнейшее разбиение областей A и B на меньшие ячейки для построения «грубого разбиения», необходимого для точного определения энтропии (см. рис. 7.3 гл.7 «Что такое энтропия?»). Точный вид этого разбиения нас здесь не интересует. На этом этапе нам важно лишь, что самая большая из рассматриваемых ячеек — та, что представляет состояния теплового равновесия при наличии черной дыры, — занимает большую часть области B, а (несколько меньшая) большая часть области A представляет то, что, как кажется, является тепловым равновесием, но без единой черной дыры.

Вспомним теперь, что на каждом фазовом пространстве существует поле стрелок (векторное поле), описывающих эволюцию физической системы во времени (см. главу 5, «Фазовое пространство», а также рис. 5.11). Таким образом, чтобы узнать, что произойдет с нашей системой в следующий момент, нужно просто сдвинуться вдоль стрелок (рис. 8.5).

Некоторые стрелки перейдут из области A в область B. Такое происходит при возникновении черной дыры в результате гравитационного коллапса вещества. А пересекают ли какие-нибудь стрелки границу между областями в обратном направлении из B в A? Такие стрелки действительно есть, но только при условии учета хокинговского испарения, о котором упоминалось ранее. В строгой классической общей теории относительности черные дыры способны только поглощать и не в состоянии ничего испускать. Но Хокингу [1975] удалось показать путем учета эффектов квантовой механики, что черные дыры все же способны — на квантовом уровне — кое-что испускать в процессе хокинговского излучения . (Это происходит в рамках квантового процесса «рождения виртуальных пар», при котором частицы и античастицы постоянно создаются из вакуума — как правило, лишь на мгновение, чтобы тут же аннигилировать, исчезнув без следа. Если есть черная дыра, она может «проглотить» одну из частиц такой пары до того, как произойдет аннигиляция, и вторая частица может покинуть черную дыру. Хокинговское излучение как раз и состоит из этих убежавших частиц.) При обычных обстоятельствах хокинговское излучение чрезвычайно слабое. Но в состоянии теплового равновесия величина энергии, теряемой черной дырой в результате хокинговского излучения, в точности компенсируется энергией, получаемой черной дырой в результате поглощения других «тепловых частиц» из окружающей «тепловой ванны», в которой дыра находится. В результате «флуктуаций» иногда может возникать небольшой избыток излучения или недостаток поглощения, что приводит к потере энергии черной дырой. Теряя энергию, черная дыра теряет также и массу (согласно формуле Эйнштейна Е = mc ² ) и, согласно законам, управляющим хокинговским излучением, становится чуть-чуть горячее. В очень редких случаях, если флуктуация оказывается достаточно большой, черная дыра может даже пойти в разнос, постоянно разогреваясь, теряя все больше энергии в этом процессе, непрерывно уменьшаясь в размерах, пока наконец (как мы предполагаем) совершенно не исчезнет в результате бурного взрыва! Когда это случится (и если считать, что других дыр в ящике нет), мы оказываемся в ситуации перехода из области B в область A фазового пространства Р, и значит действительно есть стрелки, идущие из области B в область A!

Я хотел бы сделать замечание о смысле, который я вкладываю здесь в понятие «флуктуация». Вспомним ячейки грубого разбиения, рассмотренные в предыдущей главе. Точки фазового пространства, принадлежащие одной ячейке, считаются (макроскопически) «неотличимыми» друг от друга. Энтропия возрастает, потому что, следуя вдоль стрелок, с течением времени мы, как правило, переходим ко все более крупным ячейкам. В конечном итоге точка фазового пространства оказывается затерянной внутри самой большой ячейки — а именно той, что соответствует тепловому равновесию (максимальной энтропии). Однако, это будет справедливо только до определенной степени. Если подождать достаточно долго, то точка фазового пространства окажется в какой-то момент в ячейке меньших размеров, и энтропия, соответственно, уменьшится. Как правило, это состояние продлится (сравнительно) недолго и энтропия вскоре снова увеличится при возвращении точки фазового пространства в самую крупную ячейку. Это — флуктуация , сопровождаемая мимолетным понижением энтропии. Обычно значительного падения энтропии не происходит, но в очень редких случаях возникает огромная флуктуация и энтропия может уменьшиться существенно и остаться малой на протяжении значительного времени.

Как раз такого рода событие и должно произойти, чтобы произошел переход из области B в область A через процесс хокинговского испарения. Очень большая флуктуация нужна потому, что маленькую ячейку необходимо протащить через то самое место, где стрелки пересекают границу между областями B и A Точно также, если наша точка фазового пространства находится внутри большой ячейки в области A(представляющей совокупность состояний теплового равновесия без черных дыр), пройдет еще очень много времени, прежде чем произойдет гравитационный коллапс и точка перейдет внутрь области B. И снова нужна большая флуктуация. (Тепловое излучения неохотно идет на гравитационный коллапс!)

Каких стрелок больше — тех, что идут из A в B; тех, что идут из B в A; или же их число стрелок обоих типов одинаково? Для нас это очень важно. Вопрос можно сформулировать иначе: что природе «проще сделать» — породить черную дыру, заставив сколлапсировать частицы в состоянии теплового равновесия или же избавиться от черной дыры через хокинговское испарение? А может оба процесса одинаково «трудные»? Строго говоря, нас интересует не число стрелок, а скорость потока объема фазового пространства. Представьте себе, что фазовое пространство заполнено некой (многомерной) несжимаемой жидкостью. Стрелки отображают поток этой жидкости. Вспомним теперь описанную в главе 5 («Неумолимое возрастание энтропии») теорему Лиувилля , гласящую, что фазовый поток сохраняет объем элемента фазового пространства — а это как раз и означает, что наша жидкость, заполняющая фазовое пространство, действительно является несжимаемой! Теорема Лиувилля как будто говорит нам, что поток из A в B должен равняться потоку из B в A, поскольку фазовая жидкость, будучи несжимаемой, не может накапливаться на одной какой-нибудь стороне. Таким образом, кажется, что черную дыру так же трудно создать из теплового излучения, как и разрушить ее!

К такому же выводу пришел и Хокинг, правда на основании несколько иных соображений. Главным аргументом Хокинга была симметричность во времени всех основных физических законов, имеющих отношение к рассматриваемой задаче (общая теория относительности, термодинамика, стандартные процедуры квантовой теории), из которой следует, что, если повернуть время вспять, то мы получим тот же самый результат, что и для прямого течения времени. Все сводится к простой смене направления всех стрелок в Р на противоположное. Из этого рассуждения действительно совершенно строго следует точное равенство числа стрелок из A в B числу стрелок из B в A при условии, что при обращении направления времени область B отображается сама на себя (а область A тоже, соответственно, отображается сама на себя). Это условие сводится к замечательной гипотезе Хокинга о том, что черные дыры и их временны́е инверсии — белые дыры — с точки зрения физики неотличимы друг от друга! Аргументация Хокинга состояла в том, что в симметричной во времени физике состояние теплового равновесия тоже должно быть симметричным во времени. Я не хочу здесь пускаться в подробное обсуждение этой поразительной возможности. Идея Хокинга состояла в том, что квантово-механическое хокинговское излучение может рассматриваться как своего рода временная инверсия классического «поглощения» вещества черной дырой. Несмотря на всю изобретательность ее автора, эта гипотеза наталкивается на серьезные теоретические трудности и я лично не верю в ее работоспособность.

В любом случае, эта гипотеза плохо согласуется с теми идеями, которые я здесь выдвигаю. Я утверждал, что несмотря на то, что черные дыры должны существовать, существование белых дыр запрещено гипотезой о вейлевской кривизне ! ГВК привносит в обсуждение элемент временно́й асимметрии, не учтенный Хокингом. Следует отметить, что поскольку черные дыры и их пространственно-временны́е сингулярности действительно занимают большое место в обсуждении того, что происходит внутри ящика Хокинга, то, следовательно, рассматриваемая проблема вне всякого сомнения тоже должна быть связана с неизвестными пока физическими законами, управляющими поведением такого рода сингулярностей. Хокинг считает, что эта неизвестная физика должна иметь вид симметричной во времени квантовой теории гравитации, а я считаю — что это должна быть асимметричная во времени ПКТГ! Я утверждаю, что одним из главных следствий ПКТГ должна быть ГВК(и, следовательно, второе начало термодинамики в известном нам виде), и поэтому необходимо попытаться установить, какие из ГВК вытекают следствия для рассматриваемой проблемы.

Посмотрим, как включение ГВК отразится на обсуждении потока «несжимаемой жидкости» в фазовом пространстве Р. Действие чернодырной сингулярности в пространстве-времени состоит в том, что она поглощает и разрушает все попадающее на нее вещество. Для нас же гораздо важнее, что эта сингулярность уничтожает информацию ! Следствием этого для фазового пространства P является слияние некоторых линий тока (рис. 8.6).

Два состояния до этого различные могут превратиться в одно, как только различающая их информация окажется уничтоженной. При слиянии линий тока в фазовом пространстве Р мы фактически имеем дело с нарушением теоремы Лиувилля. Наша жидкость больше не является несжимаемой, а непрерывно уничтожается в области B!

Похоже, что теперь мы оказались в действительно трудном положении. Если «жидкость» постоянно уничтожается в области B, то число линий тока из А в B должно превышать число линий тока из B в A, откуда следует, что породить новую черную дыру легче, чем уничтожить уже имеющуюся! Все это действительно имело бы смысл, если бы не то обстоятельство, что теперь количество «жидкости», покидающее область A, превышает количество «жидкости», которое возвращается в эту область. Черных дыр в области A нет, а существование белых дыр исключается ГВК— и поэтому теорема Лиувилля должна вне всякого сомнения абсолютно точно выполняться в области A! Однако теперь, похоже, нам нужно каким-то образом «порождать жидкость» в области A для восполнения ее потери в области B. Какой механизм может обеспечить увеличение числа линий тока? По-видимому, нам потребуется, чтобы в некоторых случаях одно и то же состояние могло приводить к более чем одному результату (т. е. допустить возможность бифуркации линий тока). Такого рода неопределенность эволюции физической системы в будущем «попахивает» квантовой теорией — ее R- частью. Возможно ли, чтобы R была в некотором смысле «оборотной стороной монеты» к ГВК? В то время, как ГВК обеспечивает слияние линий тока в области B, квантово-механическая R- процедура приводит к бифуркациям линий тока. Я действительно утверждаю, что именно объективный квантово-механический процесс R редукции вектора состояния приводит к бифуркациям линий тока и таким образом в точности компенсирует их слияние, вызываемое ГВК(см. рис. 8.6)!

Для того, чтобы такое расщепление произошло, R- процедура должна быть, как мы уже видели, асимметричной во времени: вспомним описанный выше эксперимент с лампой, фотоэлементом и полупосеребренным зеркалом. В случае излучения лампой фотона возможны два (одинаково вероятных) результата этого процесса: либо фотон попадает на фотоэлемент и последний регистрирует его, либо фотон попадает на стену в точке А и фотоэлемент не срабатывает. В фазовом пространстве этого эксперимента мы имеем линию тока, представляющую излучение фотона, и эта линия тока расщепляется на две: одна часть представляет ситуацию, когда фотоэлемент срабатывает, а другая — когда он не срабатывает. Здесь мы, по-видимому, имеем дело с самой настоящей бифуркацией: одно допустимое состояние на входе и два возможных состояния на выходе. Второе входное состояние, которое следовало бы рассмотреть, — это испускание фотона из точки В на лабораторной стене, и в этом случае мы имели бы два состояния на входе и два на выходе. Однако только что упомянутое альтернативное состояние на входе исключается по причине его противоречия со вторым началом термодинамики — т. е. исходя из изложенной здесь концепции, и, в конечном итоге, по причине противоречия с ГВК при отслеживании эволюции системы назад в прошлое.

Я должен еще раз отметить, что излагаемая мною здесь точка зрения на самом деле не является «традиционной» — хотя мне и не совсем понятно, как «традиционные» физики предлагают решать все поставленные здесь проблемы. (Я подозреваю, что немногие из них вообще серьезно над ними задумывались!) Разумеется, я слышал разные точки зрения. Например, время от времени некоторые физики выдвигали предположение о том, что хокинговское излучение никогда не приводит к полному исчезновению черной дыры, и что от нее всегда остается своего рода «ядрышко». (И, следовательно, согласно этой точке зрения стрелок из B в A нет!) На самом деле это почти никак не скажется на мои рассуждениях (и фактически даже усилит их). Можно, однако, избежать моих выводов, если постулировать, что общий объем фазового пространства Р на самом деле бесконечен, но это противоречило бы некоторым весьма фундаментальным представлениям об энтропии черных дыр и природе фазового пространства замкнутых (квантовых) систем, а другие технические приемы, позволяющие избежать моих выводов, о которых мне доводилось слышать, представляются еще менее удовлетворительными. Гораздо более серьезное возражение состоит в том, что построение ящика Хокинга требует слишком сильной идеализации, и что, предполагая возможность его создания, мы вынуждены преступать некоторые барьеры принципиального характера. Хотя я сам не до конца в этом уверен, но все же склоняюсь к тому, чтобы считать некоторую необходимую идеализацию вполне допустимой!

Наконец, есть один серьезный аспект, о котором я умолчал. Я начал обсуждение, предположив, что мы имеем дело с классическим фазовым пространством — а теорема Лиувилля относится к классической физике. Но затем пришлось рассмотреть квантово-механический феномен хокинговского излучения. (Кроме того, квантовая теория нужна для обеспечения конечной размерности и конечного объема Р.) Как мы видели в главе 6, квантовым аналогом фазового пространства является гильбертово пространство , и, поэтому, следовало бы, наверно, проводить все наши рассуждения в терминах гильбертова, а не фазового пространства. Для гильбертова пространства существует аналог теоремы Лиувилля, который следует из так называемого «унитарного» характера временно́й эволюции U. Не исключено, что все мои рассуждения можно сформулировать полностью в терминах гильбертового, а не классического фазового пространства, но мне трудно представить себе, каким образом в этом случае можно рассматривать классические явления, связанные с пространственно-временно́й геометрией черных дыр. Я считаю, что для правильной теории непригодно ни классическое фазовое пространство, ни гильбертово пространство, а потребуется какой-то новый, до сих пор еще не открытый тип математических пространств, занимающий промежуточное положение между двумя упомянутыми выше. Соответственно, мои рассуждения следует рассматривать только в эвристическом смысле, и они представляют собой скорее всего лишь общие предположения, а не окончательные выводы. Тем не менее, я действительно считаю свои рассуждения сильным доводом в пользу глубинной связи между ГВК и R, откуда вытекает, что R- процедура действительно должна представлять собой эффект квантовой теории гравитации.

Повторю свои выводы еще раз: я выдвигаю гипотезу, согласно которой квантовомеханическая редукция вектора состояния действительно является оборотной стороной ГВК. В соответствии с этой гипотезой два важнейших следствия нашей искомой правильной квантовой теории гравитации ( ПКТГ) — это ГВК и процедура R. ГВК приводит к слиянию линий тока в фазовом пространстве, в то время как процедура R приводит к расщеплению линий тока, в точности компенсирующему их слияние, вызванное ГВК. Оба процесса теснейшим образом связаны со вторым началом термодинамики.

Отметим, что слияние линий тока происходит только в области B, в то время как их расщепление может иметь место как внутри области A, также и внутри области B.

Вспомним, что A представляет совокупность состояний, в которых черные дыры отсутствуют, и, следовательно, редукция вектора-состояния действительно возможна при отсутствии черных дыр. Ясно, что для выполнения R совсем необязательно иметь в лаборатории черную дыру (как в случае только что рассмотренного нами эксперимента с фотоном). Нас сейчас интересует лишь общий баланс между различными возможными событиями в той или иной ситуации. В рамках излагаемой концепции отсутствие детерминизма в квантовой теории должно всего лишь компенсироваться возможностью образования черных дыр на некотором этапе (и следующей отсюда возможностью уничтожения информации)!

Когда происходит редукция вектора-состояния?

Предположим, что мы признаем, исходя из вышеизложенных соображений, что редукция вектора-состояния может каким-то образом оказаться гравитационным феноменом. Можно ли сформулировать связь между R- процедурой и гравитацией более явным образом? Когда, согласно этой концепции, должен фактически иметь место коллапс вектора состояния?

Здесь следует прежде всего отметить, что даже в рамках более «традиционных» подходов к построению квантовой теории гравитации согласование принципов обшей теории относительности с правилами квантовой механики наталкивается на определенные и весьма серьезные технические трудности. Эти правила (в первую очередь — интерпретация импульсов как дифференцирования по координатам в уравнении Шредингера — см. гл.7 «Космология и Большой взрыв») плохо вписываются в представление об искривленной геометрии пространства-времени. Я лично считаю, что введение «значительной» пространственно-временно́й кривизны влечет неизбежное нарушение правил квантовой линейной суперпозиции. Именно в этом случае суперпозиция комплексных амплитуд в принципе допустимых альтернатив заменяется набором вероятностно-взвешенных реальных альтернатив, из которых одна фактически имеет место.

Что я понимаю здесь под «значительной» степенью кривизны? Я имею в виду достижение такой степени кривизны, при которой ее характерное значение становится сравнимым с одногравитонным [195]масштабом или превышает его. (Напомним, что, согласно правилам квантовой теории, электромагнитное поле «квантуется» на отдельные элементы, называемые «фотонами». При разложении поля на его частотные составляющие, компонента с частотой v может входить в это разложение только в виде целого числа фотонов, каждый с энергией равной hv . Предполагается, что аналогичные правила должны быть также применимы и к гравитационному полю.) Один гравитон — это минимальная единица кривизны, допускаемая квантовой теорией. Идея состоит в том, что при достижении этого уровня обычные правила линейной суперпозиции, предписываемые процедурой U, должны претерпеть определенные изменения при их применении к гравитонам, и при этом возникает некая асимметричная во времени «нелинейная неустойчивость». Мы получаем вместо комплексных суперпозиций неограниченно долго сосуществующих «альтернативных возможностей» ситуацию, когда одна из «возможностей» начинает на этом этапе одерживать верх над другими и система «перескакивает» в то или иное из альтернативных состояний. Возможно, что выбор одного из альтернативных состояний происходит случайно, а быть может, в его основе лежат какие-то более глубокие законы. Однако теперь реальность обретает вид одного из альтернативных состояний. Процедура R осуществилась.

Отметим, что согласно этой гипотезе R- процедура осуществляется спонтанно, совершенно объективно и независимо от какого бы то ни было вмешательства человека. Идея состоит в том, что «одногравитонный уровень» должен находиться как раз между «квантовым уровнем» атомов, молекул и т. д., на котором хорошо действуют линейные правила ( U) обычной квантовой механики, и «классическим уровнем» нашего повседневного опыта. Насколько «велик» одногравитонный уровень? Отметим, что дело тут на самом деле не в физическом размере, а скорее в распределении массы и энергии. Как мы видели, эффекты квантовой интерференции могут возникать и на больших расстояниях при условии, что связанная с ними энергия мала. (Вспомним самоинтерференцию фотона, описанную на в гл. 6 «Одна частица — сразу в двух местах?», и эксперименты типа ЭПР, проведенные Клаузером и Аспектом, гл.6 «Эксперименты с фотонами: проблема для специальной теории относительности?»). Характерный масштаб массы в квантовой гравитации известен под названием планковской массы, приблизительно равной

m _Pl = 10 ^-5 г.

Она может показаться гораздо большей, чем хотелось бы, поскольку в простых наблюдениях мы видим, как гораздо менее массивные объекты, например, пылинки, ведут себя классическим образом. (Величина m _Pl немного меньше массы блохи.) Однако, я не думаю, что одногравитонный критерий применим столь грубым образом. Я постараюсь высказываться по возможности яснее, но на момент написания этих строк вопрос о конкретном способе применения рассматриваемого критерия остается в значительной степени открытым.

Давайте рассмотрим сначала очень непосредственный способ наблюдения частицы — при помощи камеры Вильсона. В этом случае мы имеем камеру, заполненную паром, находящимся на грани конденсации в капельки воды. При попадании в такую камеру быстро движущейся частицы — например, частицы, возникшей в результате распада расположенного вне камеры радиоактивного атома, ее прохождение сквозь камеру вызывает ионизацию расположенных вблизи траектории пролета атомов (т. е. атомы становятся заряженными в результате отрыва от них электронов). Эти ионизированные атомы служат центрами конденсации капелек из водяного пара. Таким образом возникает трек, состоящий из капелек, которые могут непосредственно наблюдаться экспериментатором (рис. 8.7).

Ну а как же все это описывается в квантовой механике? В момент распада радиоактивного атома он испускает частицу. Но у этой частицы существует множество различных направлений движения: каждое направление движения описывается своей амплитудой, причем все они сосуществуют одновременно в виде линейной квантовой суперпозиции. Совокупность всех этих наложенных друг на друга альтернатив образует исходящую из распавшегося атома сферическую волну — волновую функцию испущенной атомом частицы. При попадании любого из возможных треков частицы в камеру, он тут же оказывается ассоциированным с цепочкой ионизованных атомов, каждый из которых служит центром конденсации пара. Все эти различные возможные цепочки ионизованных атомов должны сосуществовать в виде линейной квантовой суперпозиции, так что мы имеем теперь линейную суперпозицию большого числа различных цепочек конденсирующихся капелек. На некотором этапе эта комплексная квантовая линейная суперпозиция превращается в действительную совокупность фактических альтернатив с вероятностными весами, равными, согласно R- процедуре, квадратам модулей амплитуд вероятностей. В реальном физическом мире реализуется только одна из этих альтернатив, и именно она наблюдается экспериментатором. В соответствии с излагаемой здесь точкой зрения эта стадия наступает, когда разность между гравитационными полями различных альтернативных вариантов достигает одногравитонного уровня.

Когда это происходит? Согласно очень грубым расчетам [196], если бы имелась только одна однородная шарообразная капля, то одногравитонный уровень достигался бы, когда ее масса вырастет до одной сотой от величины m _Pl , что составляет одну десятимиллионную грамма. В этом расчете много неопределенностей (включая трудности принципиального характера), да и величина полученной массы несколько великовата, однако результат не совсем уж бессмысленный. Остается надеяться на появление в будущем более точных расчетов и возможность рассмотрения всей цепочки, а не просто одной из составляющих ее капель. К тому же учет неоднородности капель — того факта, что они состоят из большого числа мельчайших атомов, может существенно изменить результат, да к тому же сам «одногравитонный критерий» нуждается в существенном математическом уточнении.

В описанной выше ситуации рассматривалось возможное реальное наблюдение квантового процесса (распада радиоактивного атома), при котором квантовые эффекты оказываются усиленными настолько, что различные квантово-механические альтернативы приводят к различным и непосредственно наблюдаемым макроскопическим альтернативам. Я считаю, что R- процедура действительно может иметь место объективным образом даже в отсутствие столь ярко выраженного усиления. Предположим, что наша частица попала не в камеру Вильсона, а просто в большой ящик, заполненный газом (или жидкостью) с плотностью, обеспечивающей практически гарантированное столкновение частицы или иное ее воздействие на большое число атомов газа. Рассмотрим всего два варианта возможного поведения частицы, как составные части начальной линейной суперпозиции: частица может просто не попасть в ящик совсем или же она попадет в него по определенной траектории и окажется отраженной каким-либо атомом газа. Во втором случае соответствующий атом газа отскочит, двигаясь с очень большой скоростью так, как он никогда не повел бы себя, не столкнись он с частицей, затем столкнется с еще одним атомом и, в свою очередь, отрикошетит от него. После этого движение двух атомов будет отличаться от их движения в отсутствие столкновения с частицей, и мы будем иметь уже целый каскад движений атомов в газе, невозможный в отсутствие первоначального попадания частицы в ящик (рис. 8.8).

Вскоре после этого порожденное частицей возмущение охватит практически все атомы газа.

Подумаем теперь, как эту ситуацию можно описать на языке квантовой механики. Вначале мы имеем лишь исходную частицу, и ее различные положения составляют комплексную линейную суперпозицию — волновую функцию частицы. Однако через какое-то время квантово-механическое описание должно уже охватывать все атомы газа. Рассмотрим комплексную суперпозицию двух возможных траекторий частицы, при движении по одной из которых частица попадает в ящик, а по другой — нет. Стандартная квантовая механика требует распространения этой суперпозиции на все атомы газа: мы должны рассмотреть суперпозицию двух состояний, таких, что положение атомов газа в одном состоянии оказываются смещенными относительно их положений в другом состоянии. Теперь рассмотрим разность гравитационных полей всех отдельных атомов. Хотя распределение газа (и гравитационное поле) в целом практически одинаково для обоих состояний, чью суперпозицию мы должны рассмотреть, если мы вычтем одно поле из другого, то получим (сильно флуктуирующее) разностное поле, которое вполне может оказаться «значительным» в подразумеваемом здесь смысле — а именно это разностное поле вполне может превысить одногравитонный уровень. По достижении этого уровня немедленно же происходит редукция вектора состояния: в реальном состоянии частица либо попала в ящик, либо нет. Комплексная линейная суперпозиция сводится к статистически взвешенным альтернативам с осуществлением только одной из них.

В предыдущем примере я рассматривал камеру Вильсона в качестве способа квантово-механического наблюдения. Я считаю, что и другие виды таких наблюдений (фотопластинки, искровые камеры и т. д.) можно анализировать в рамках одногравитонного критерия, используя подход, примененный в описанном выше случае ящика с газом. Многое еще предстоит сделать, чтобы разобраться в подробностях применения этой процедуры.

Изложенные здесь соображения представляют собой всего лишь зачаток новой теории, которая, как мне кажется, является столь необходимой [197]. Для того, чтобы быть полностью удовлетворительной, любая схема должна, по-моему, включать в себя радикально обновленные представления о природе пространственно-временно́й геометрии, быть может, с применением нелокального описания [198]. Один из самых неоспоримых доводов в пользу этого следует из экспериментов ЭПР- типа(см. гл.6 «„Парадокс“ Эйнштейна, Подольского и Розена» и гл.6 «Эксперименты с фотонами: проблема для специальной теории относительности?»), в которых «наблюдение» (в данном случае — срабатывание фотоэлемента) в одном конце комнаты может вызвать мгновенную редукцию вектора-состояния в другом конце комнаты. Построение полностью объективной теории редукции вектора-состояния, не противоречащей духу теории относительности, представляет собой очень трудную и глубокую задачу, поскольку понятие «одновременности», будучи зависимым от движения некоторого наблюдателя, является чуждым теории относительности. Я убежден, что наше современное представление о физической реальности — особенно в том, что касается природы времени— нуждается в коренном пересмотре, пожалуй, даже в более радикальном, чем тот, который был вызван к жизни современной теорией относительности и квантовой механикой.

Вернемся к исходной проблеме. Какое все это имеет отношение к физическим законам, которые управляют действиями нашего мозга? Как это связано с нашими мыслями и чувствами? Для того, чтобы попытаться хоть как-то ответить на эти вопросы, придется сначала немного разобраться в устройстве нашего мозга. Потом я вернусь к проблеме, которую считаю фундаментальной: какого рода новые физические действия происходят, когда мы сознательно мыслим или воспринимаем что-либо?