Научный детерминизм Лапласа подразумевает точное определение положения и скорости частиц во Вселенной в любой конкретный момент времени. Принцип неопределенности Гейзенберга сильно подрывает эту теорию. Как можно предсказывать будущее, если невозможно одновременно точно измерить положение и скорость частиц даже в настоящее время? Каким бы мощным ни был ваш компьютер, если вы заложите в него некачественные данные, вы получите некачественные предсказания.
Эйнштейну крайне не нравилась эта неопределенность в природе. Свое отношение к этому он выразил в знаменитой фразе: «Бог не играет в кости». Похоже, ему казалось, что неопределенность эта условная и что существует фундаментальная реальность, в которой частицы обладают четко определенным положением и скоростью согласно детерминистским законам в духе Лапласа. Эта реальность может быть известна Богу, но квантовая природа света не дает нам возможности увидеть ее, кроме как сквозь мутное стекло.
Позиция Эйнштейна соответствует тому, что позже получило название «теории скрытых параметров».
Теории скрытых параметров кажутся наиболее очевидным способом примирить принцип неопределенности с физикой как наукой. Они образуют основу мысленной картины Вселенной, которой придерживаются многие ученые и почти все философы науки. Но они ошибочны. Британский физик Джон Белл доказал, что можно провести эксперимент, подтверждающий ложность теорий скрытых параметров. Если эксперимент проводить достаточно тщательно, результаты окажутся несовместимы со скрытыми параметрами. Таким образом, получается, что даже Бог подчиняется принципу неопределенности и не может знать одновременно положение и скорость частицы. Все свидетельствует о том, что Бог – закоренелый игрок, бросающий кости при каждом удобном случае.
Другие ученые оказались более, чем Эйнштейн, готовы модифицировать взгляды XIX века на детерминизм. Вернер Гейзенберг, австриец Эрвин Шрёдингер и британский физик Поль Дирак выдвинули теорию квантовой механики. Дирак был одним из моих предшественников на должности Лукасовского профессора в Кембридже. Квантовая механика существует уже более семидесяти лет, но до сих пор не получила широкого понимания и поддержки – даже у тех, кто пользуется ею для своих расчетов. Однако она имеет отношение ко всем нам, поскольку принципиально отличается от классической картины физической Вселенной и самой реальности. В квантовой механике частицы не обладают четко определенными положением и скоростью. Они представлены в виде так называемой волновой функции. Это – число в каждой точке пространства. Значение волновой функции указывает на вероятность нахождения частицы в конкретном месте. Интенсивность, с которой значение волновой функции варьируется от точки к точке, дает скорость частицы. Есть ситуация, при которой волновая функция имеет четко выраженные пики в небольшой области. Это будет означать, что неопределенность положения мала. Но волновая функция очень быстро варьируется близ пика – идя вверх с одной стороны и вниз – с другой. В таком случае будет очень велика неопределенность скорости. Аналогичным образом, могут быть волновые функции, при которых неопределенность скорости мала, а неопределенность положения – велика.
Волновая функция содержит все, что можно знать о частицах в плане их положения и скорости. Если известна волновая функция в конкретный момент времени, тогда ее значения в другие моменты времени определяются с помощью уравнения Шрёдингера. Оно обладает известной степенью детерминизма, но это не тот детерминизм, который представлял себе Лаплас. Мы не можем предсказать положение и скорость частиц; мы можем предсказать только волновую функцию. Это означает, что мы в состоянии предсказать лишь половину того, что могли бы в соответствии с классическими представлениями XIX века.
Когда мы пытаемся предсказать и положение и скорость, квантовая механика ведет к неопределенности; но она с высокой долей определенности позволяет предсказать комбинацию положения и скорости. Однако новейшие исследования ставят под сомнение и эту степень определенности. Проблема возникает потому, что гравитация может искривлять пространство-время до такой степени, что мы просто не в состоянии наблюдать некоторые области пространства.
ПОЗВОЛЯЮТ ЛИ НАМ ЗАКОНЫ, УПРАВЛЯЮЩИЕ ВСЕЛЕННОЙ, ТОЧНО ПРЕДСКАЗАТЬ, ЧТО ПРОИЗОЙДЕТ С НАМИ В БУДУЩЕМ?Короткий ответ – и да, и нет. В принципе, законы позволяют нам предсказывать будущее. Но на практике расчеты зачастую слишком сложны.
К таким областям относятся внутренности черных дыр. Это означает, что мы не в состоянии – даже в принципе – наблюдать частицы внутри черной дыры. То есть мы вообще не можем измерить их положение или скорость. В связи с этим возникает вопрос: не появляется ли еще новая непредсказуемость помимо той, которую показывает квантовая механика.
Подводя итог, можно сказать так. Классическая теория, выдвинутая Лапласом, говорит о том, что если известны положение и скорость частиц в конкретный момент времени, то последующие их движения четко предопределены. Эта идея получила новое толкование после того, как Гейзенберг предложил принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно точно указать положение и скорость частицы. Тем не менее остается возможность предсказать комбинацию положения и скорости. Не исключено, что и эта ограниченная предсказуемость исчезнет, если принимать во внимание черные дыры.
5
Что внутри черных дыр?
Говорят, что факты порой причудливей вымысла, и нигде это не оправдывается в большей степени, чем в черных дырах. Черные дыры необычнее всех выдумок писателей-фантастов, и при этом их существование – доказанный научный факт.
Первым заговорил о черных дырах ученый из Кембриджа Джон Мичелл в 1783 году. Его идея заключалась в следующем. Если выстрелить частицу, например пушечное ядро, вертикально вверх, сила гравитации будет замедлять ее движение. Постепенно частица перестанет двигаться вверх и начнет падать обратно. Однако если первоначальная вертикальная скорость будет выше определенного критического значения, так называемой скорости убегания, то силы гравитации окажется недостаточно, чтобы остановить частицу, и она улетит. Скорость убегания, или вторая космическая скорость, для Земли составляет свыше 11 километров в секунду, а для Солнца – примерно 617 километров в секунду. И та и другая значительно выше скорости реального пушечного ядра. Но они невысоки по сравнению со скоростью света, которая составляет 300 000 километров в секунду. Таким образом, свет без особого труда может покинуть и Землю, и Солнце. Однако Мичелл отметил, что могут существовать звезды гораздо массивнее Солнца, на которых скорость убегания будет превышать скорость
