Играет ли Бог в кости?

Многие, наверное, слышали принадлежащие Альберту Эйнштейну слова о том, что Бог не играет в кости. Что имел в виду великий ученый? С этим вопросом мы обратились к молодому ученому, работающему как раз в области квантовой механики Антону Трушечкину. Визитка: Кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Математического института имени В. А. Стеклова РАН, 27 лет, занимается математической физикой, а именно математическими моделями квантовой и статистической физики.

– Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо, хотя бы очень коротко, проследить историю развития науки.

Современная физика берет свое начало в работах Исаака Ньютона XVII века. Были, конечно, и предшественники, такие как Коперник, Галилей, Кеплер и другие. В своей работе «Математические начала натуральной философии» Исаак Ньютон сформулировал математические законы движения тел, которые теперь изучаются в школе. Удивительно, что одни и те же законы оказались применимыми к совершенно непохожим друг на друга предметам и обладают одним замечательным свойством: если мы знаем, где находится то или иное тело в текущий момент времени, направление и скорость его движения, то мы можем однозначно предсказать всю его дальнейшую траекторию до сколь угодно далекого будущего. Равно как и восстановить всю его предшествующую траекторию.

Подобно тому как, подбросив камень под определенным углом и с определенной скоростью, можно точно рассчитать, где и когда он упадет, так же, в принципе, можно рассчитать и все что угодно в природе. А также предсказать и будущее всего мира вплоть до мельчайших его деталей. Это лишь вопрос наших аналитических способностей и вычислительных мощностей. Возникает механистическая детерминистическая картина мира.

 

Согласно этой картине, мир очень похож на большой часовой механизм со сложной структурой четко и однозначно работающих шестеренок.

Интересно, что, по этой концепции, детерминизм распространяется даже на человека, ведь человек состоит из тех же частиц (атомов), что и все остальные тела. А значит, и рождение человека, и вся его жизнь, и время и обстоятельства смерти также предопределены, а свобода воли – не более чем иллюзия.

– Но неужели люди серьезно верили, что все предопределено неким начальным состоянием? Ведь в русскую рулетку играли единицы.

– Возникновение первой научной картины мира вписывается в общий контекст западноевропейской культуры того времени. Предопределенность в механике, распространяющаяся и на человека, соотносится с учением о предопределении в некоторых направлениях протестантизма. С другой стороны, понятие отдельной неделимой частицы, атома в механике соотносится с социальными концепциями индивидуализма и демократии, личных свобод. Слово «индивидуум» в переводе с латинского означает то же, что и «атом» – с древнегреческого: «неделимый».

Такие взаимосвязи неудивительны: наука рождается в определенном обществе, и делают ее люди, воспитанные и живущие в этом обществе. А научные результаты, в свою очередь, сами становятся достоянием этого общества. Поэтому возникает сеть взаимных влияний между религиозными, философскими, социальными, политическими концепциями, науками и искусствами. Немецкий философ Освальд Шпенглер считал, что мы не поймем до конца культуру, если не будем рассматривать все эти явления в комплексе.

– Вернемся к истории науки.

– XIX век ознаменовался новыми грандиозными прорывами в физике – это открытия термодинамики (законов движения тепла) и электродинамики (законов движения электричества). Они немедленно повлекли за собой и очередные этапы технического прогресса: появились паровой двигатель, паровоз, пароход, другие тепловые машины, электродвигатель и электроэнергетика (представьте себе на минуточку сегодняшнюю жизнь без электричества!). Эти успехи существенно дополнили тогдашнюю физическую картину мира.

Но поистине сенсационные успехи были сделаны физикой в первой половине XX века. В 1905 и в 1915–1916 годах выходят работы немецкого физика Альберта Эйнштейна по теории относительности, которая опровергла существование абсолютного пространства – вместилища того мирового часового механизма – и абсолютного времени, в котором этот механизм работает. Согласно этой теории, пространство и время относительны и составляют на самом деле единую сущность «пространство-время».

А в 1925 году другим немецким физиком Вернером Гейзенбергом создается квантовая механика, которая ниспровергла детерминистическую картину мира.

Как мы говорили, в механике Ньютона (которая теперь стала именоваться классической) будущая траектория может быть предсказана, если мы знаем положение и скорость тела в текущий момент. Но выяснилось, что микрочастицам, таким, как молекулы, атомы и более мелкие частицы, поведение которых как раз и описывается квантовой механикой, вообще невозможно сопоставить определенное положение и определенную скорость одновременно! Либо частица находится в определенной точке, но тогда совершенно ничего нельзя сказать о ее скорости, либо, наоборот, частица движется с определенной скоростью, но совершенно неясно, где она находится, либо (средний, «сбалансированный» вариант) мы лишь приблизительно знаем, где частица находится, и приблизительно знаем ее скорость.

Невозможность одновременного знания положения и скорости частицы влечет за собой и исчезновение понятия траектории. Можно сказать, что в какой-то степени частица находится сразу во многих местах, она «размазана» по всему пространству или его части. Но если мы измерим положение частицы с помощью детектора, то ее положение «схлопывается» в одну точку (вернее, в достаточно малую область пространства). Но какая это будет точка, заранее неизвестно: квантовая механика позволяет узнать лишь вероятности схлопывания положения частицы в ту или иную точку. А это означает, что детерминистическая картина больше не имеет места! Даже если мы владеем полной информацией о частице, мы не можем однозначно предсказывать ее будущее, мы можем предсказывать лишь вероятности того или иного будущего!

Это удивительные явления, но они, в конце концов, относятся к микроскопическим частицам, которые не видны не только невооруженным глазом, но и в оптический микроскоп. Однако еще один немецкий физик Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент, названный позже «кошкой Шредингера», в которой такие странные свойства испытывают уже привычные нам объекты.

– В чем состоит этот мысленный эксперимент?

– В закрытом помещении находится кошка, радиоактивный атом и склянка с отравляющим веществом. Если атом распадается, то он запускает механизм, разбивающий склянку, в результате чего кошка погибает. Если же атом не распадается, то кошка остается живой. Но атом, будучи квантовым объектом, может находиться одновременно в распавшемся и нераспавшемся состоянии (выражаясь научным языком, в состоянии суперпозиции). Но поскольку от состояния атома зависит и благополучие кошки, то и кошка вместе с атомом находится в состоянии суперпозиции: живая и дохлая одновременно! И только когда в комнату входит человек (наблюдатель), вся система «атом–склянка–кошка» схлопывается с определенными вероятностями в одно из двух состояний, в одном из которых атом распался, склянка разбита и кошка мертва, а в другом – атом и склянка целы и кошка жива. То есть, выходит, что мы, конечно, не можем наблюдать кошку, которая и жива, и мертва одновременно, но пока мы ее не наблюдаем, она может находиться в таком странном состоянии!

– Можно ли сказать, что квантовая механика вернула неопределенность в поведение микрочастиц, а с ней и свободу человеку?

– Это была сенсация, и общество реагировало на нее по-разному. Так, английский астрофизик сэр Артур Эддингтон считал, что более гибкая вероятностная картина мира оставляет место для свободы воли человека, в отличие от жесткой детерминистической картины. Но с другой стороны, великий Эйнштейн не принял квантовой механики, хоть и стоял у ее истоков.

– Так что все-таки имел в виду Эйнштейн, говоря, что Бог не играет в кости?

– Для Эйнштейна (как и ранее для творцов классической механики) выражением религиозности и всемогущества Творца был не вероятностный мир со случайными исходами, а закономерный детерминистический мир, где все движется по установленному Богом распорядку. И до конца своей жизни Эйнштейн пытался построить какую-то более фундаментальную теорию, стоящую за квантовой механикой, которая была бы детерминистической и похожей на механику классическую. Надо сказать, не прекращаются такие попытки и сейчас. Кстати, друг и оппонент Эйнштейна, сторонник квантовой механики Нильс Бор остроумно ответил ему: «Эйнштейн, перестань указывать Богу, что Он должен делать со Своими игральными костями!»

Интересно, что и Эйнштейн, и Бор, и другие великие ученые, высказывая противоположные суждения, апеллируют к Богу. Это свидетельствует о том, что наукой человек занимается не ради самой науки и даже не только ради прогресса в технике. Наука соотносится с общим мировоззрением человека, с его представлениями о Боге и о жизни. В виде научных теорий о внешнем мире человек выражает свой внутренний мир.

Конечно, квантовый мир очень причудлив и необычен с точки зрения нашего обыденного опыта. Ученые за прошедшие десятилетия достигли больших успехов в познании этого мира, но в своей сути квантовая механика не понята и по сей день. Как говорил американский физик, Ричард Фейнман, квантовую механику не понимает никто. Поиск разъяснения  ее вопросов и парадоксов продолжается до сих пор.

 – В каких вопросах в настоящий момент теоретическая физика испытывает наибольшие затруднения? Какие вопросы «заметаются под ковер»? Куда движется наука?

– Прогресс в квантовой механике позволил человечеству освоить новый тип энергии – атомную энергию, – а также привел к прогрессу в области микроэлектроники, без которой мы едва ли можем себе представить сегодняшний день. И в нанотехнологиях, о которых сейчас так много говорят, квантовые явления играют ключевую роль.

Во второй половине XX века на базе квантовой механики и теории относительности была постепенно создана современная теория элементарных частиц – так называемая Стандартная модель. Сейчас она продолжает свое развитие, весь мир с нетерпением ждет результатов опытов на Большом адронном коллайдере в Швейцарии.

Но если в ушедшем XX веке главным направлением физики была физика элементарных частиц, то в наступившем столетии таковым, по всей видимости, будет физика сложных систем. Как работает белок? Как работают настоящие биологические наномашины в нашем организме, ответственные за работу нашего генетического кода, за репликацию ДНК, за синтез белка на рибосоме? Как работают другие системы, состоящие из большого числа частиц, со сложной структурой и способностью к самоорганизации и другому сложному поведению? Вот вопросы, стоящие сейчас на повестке дня.

Совсем недавно, в феврале этого года, канадские ученые открыли, что квантовые явления играют существенную роль в процессе фотосинтеза, без которого сложные формы жизни были бы невозможны. Фотосинтез протекает следующим образом: фотон (частица света) попадает на специальные светочувствительные белковые молекулы и возбуждает их, сообщает свою энергию. Затем это возбуждение (то есть энергия) проходит по цепочке через множество других молекул, пока не попадает в некий химический центр, в котором непосредственно и происходит выработка кислорода и органических веществ. То есть, в этом процессе световая энергия переходит в химическую. И вот обнаружено, что существенную роль в процессе передачи этого возбуждения играют упомянутые нами квантовые состояния суперпозиции. Детальное изучение механизмов фотосинтеза связано не только с большим теоретическим интересом (фотосинтез – одна из основ жизни), но и с практическим интересом построения эффективных солнечных батарей, а также, может быть, и квантовых компьютеров.

– И все-таки, в каком мире мы живем: в детерминированном или вероятностном? И играет ли все-таки Бог в кости?

– Мы сказали о том, что вероятностное описание даже при условии владения полной информацией о системе привнесено в науку квантовой механикой. Надо сказать и о том, что детерминизма может не быть даже в классической механике. В ней мы можем предсказывать сколь угодно далекое будущее только при условии, что знаем положение и скорость тела. Но на самом деле мы ведь никогда не можем определить ни положение, ни скорость тела с бесконечной точностью! Определяем ли мы их на глаз или с помощью самых точных приборов, наше измерение всегда имеет погрешность. Иногда мы можем ее уменьшить, но никогда не сможем полностью от нее избавиться. И когда мы делаем предсказания на все более далекие времена, эта погрешность накапливается, и в конце концов для достаточно далекого момента времени мы вообще не сможем сказать ничего определенного о том, где находится тело. А открытое во второй половине XX века явление динамического хаоса говорит о том, что эта погрешность может накапливаться очень быстро, а значит, горизонт нашего прогноза будет достаточно мал. С этой точки зрения, детерминизм даже в классической механике есть иллюзия, и работая даже с привычными нам объектами, мы должны прибегать к вероятностному описанию.

Как видим, на наш вопрос можно отвечать по-разному, и по-разному на него отвечали великие умы. И я, пожалуй, предпочту не давать окончательного ответа, а предоставлю любознательному читателю возможность сформулировать свой ответ на него.

 – Кстати, для тех, кому интересно, что посоветуете почитать?

– Простое и наглядное объяснение сути квантовой механики можно найти в книге Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс «Фейнмановские лекции по физике. Том 3. Излучение. Волны. Кванты», главы 37–38. В книге Р. Пенроуз «Новый ум короля: о компьютерах, мышлении и законах физики» тоже популярно изложены и квантовая механика, и некоторые другие – не менее интересные – разделы современной физики и математики. А тому, кто заинтересовался взаимосвязью между наукой и искусствами, философией, социально-политическими системами, можно посоветовать начать со знаменитого труда О. Шпенглера «Закат Европы»: математике посвящена глава первая, физике – глава шестая первого тома.

Беседовал Федор Максимов