Джон Уилер и «Это из частицы»

Джон Уилер и «Это из частицы»

Как кажется, Бете, Вайнберг и Мермин предполагали, что квантовая механика, по крайней мере в качественном смысле, и есть окончательная теория физики. Некоторые физики и философы предположили, что они смогут пенять квантовую механику, если только определят ее смысл, найдут Ответ. Один из самых влиятельных и изобретательных интерпретаторов квантовой механики и современной физики в целом — Джон Арчибальд Уилер (John Archibald Wheeler). Уилер — это архетипичный физик из тех, кто считает физику поэзией. Он известен своими аналогиями и афоризмами, собранными и придуманными им самим. Когда теплым весенним днем я брал у него интервью в Принстоне, он завалил меня высказываниями типа:

«Если я не могу это представить, я не могу это понять».

(Эйнштейн);

«Унитарианизм (религия Уилера) — это пуховая перина для ловли падающих христиан».

(Дарвин);

«Никогда не беги за автобусом, женщиной и космологической теорией, потому что через несколько минут появится еще одна».

(приятель Уилера по Йельскому университету);

«Если тебе за весь день не встретилось ничего странного, то это был потерянный день».

(Уилер).

Уилер также славится своей физической энергией. Когда мы вышли из его кабинета, расположенного на третьем этаже, чтобы пообедать, он презрительно отказался от лифта, заявив, что они «ужасны для здоровья», и побежал вниз по лестнице. На каждой площадке он хватался рукой за перила и разворачивался, увеличивая тем самым центробежную силу на вираже, и несся вниз по следующему пролету лестницы.

— У нас проводятся соревнования, кто быстрее сбежит по лестнице, — бросил он через плечо.

На улице Уилер, скорее, маршировал, чем шел, размахивая руками в такт шагам. Он остановился, только когда мы дошли до двери, причем он, как всегда, был первым. Уилер открыл ее передо мной. Войдя внутрь, я остановился, думая о нем с почтением — в то время Уилеру было почти 80, — но через мгновение он пронесся мимо меня, направляясь к следующей двери.

Метафора была настолько очевидной, что я понял, что Уилер имел в виду. Он сделал карьеру, убегая вперед от других ученых и открывая им двери. Он помог получить признание — или по крайней мере внимание — некоторым из самых причудливых идей современной физики, от черных дыр до множественности Вселенных и до самой квантовой механики. Уилера уже давно могли бы уволить, как веселого, но чокнутого, если бы у него не было таких отличных рекомендаций. В начале двадцатых он отправился в Данию, чтобы поучиться у Нильса Бора («потому что он видит дальше, чем любой другой живой человек» — написал Уилер в заявлении на стипендию). Бор оказал самое глубокое влияние на мысль Уилера. В 1939 году Бор и Уилер опубликовали первую статью, успешно объяснившую деление атомного ядра в терминах квантовой физики[69].

Знание Уилером ядерной физики привело к его включению в группу по созданию первой бомбы, основанной на делении атомного ядра, во время Второй мировой войны, а в начале холодной войны — первой водородной бомбы. После войны Уилер стал одним из ведущих авторитетов по теории относительности Эйнштейна. В конце шестидесятых он придумал термин «черная дыра» и сыграл главную роль в убеждении астрономов, что эти странные, бесконечно плотные объекты, предсказанные теорией Эйнштейна, могут фактически существовать. Я спросил Уилера, какое свойство позволило ему поверить в такие фантастические вещи, которые другие физики приняли с явной неохотой.

— Сильное воображение, — ответил он. — Мне очень нравится вот эта фраза Бора:

«Вы должны быть готовы к сюрпризу, и очень большому сюрпризу».

Начиная с пятидесятых годов его все больше заинтриговывал философский смысл квантовой физики. Наиболее широко принятой интерпретацией квантовой механики была так называемая ортодоксальная интерпретация (хотя «ортодоксальная» кажется странным описанием такой радикальной точки зрения, распространенной во всем мире). Ее также называли копенгагенской интерпретацией, потому что ее представил учитель Уилера Бор в серии лекций в Копенгагене в конце двадцатых годов. Она утверждала, что такие субатомные сущности, как электроны, реально не существуют; они существуют в вероятностном переходном состоянии, пока не переводятся в единое состояние актом наблюдения. Электроны и протоны могут действовать как волны или как частицы, в зависимости от типа эксперимента.

Уилер был одним из первых выдающихся физиков, предположивших, что реальность может быть не полностью физической; в некотором смысле наш космос может быть явлением, требующим акта наблюдения, — и, таким образом, самим сознанием. В шестидесятые годы Уилер помог популяризировать печально известный антропический принцип. По сути, он утверждает, что Вселенная такова, какова она есть, потому что если бы она была другой, то и нас бы здесь не было, чтобы наблюдать за ней. Уилер также стал привлекать внимание коллег к некоторым интригующим связям между физикой и теорией информации, которая была предложена в 1948 году математиком Клодом Шенноном (Claude Shannon). Физика строится на элементарной, неделимой сущности, а именно на кванте, который определяется в результате наблюдения. То же происходит и с теорией информации. Ее квант — это бинарная единица, или бит (единица информации), который является посланием, представляющим один из двух вариантов выбора: орел или решка, да или нет, ноль или единица.

Уилер еще больше уверился в важности информации после того, как придумал эксперимент, открывший для нас странность квантового мира. Эксперимент с отложенным выбором Уилера — это вариация знаменитого (но не классического) эксперимента с двумя щелями, Демонстрирующего шизофреническую природу квантового явления. Когда электроны направляют на барьер, в котором имеются две щели, они действуют подобно волнам: электроны идут через обе щели одновременно и формируют то, что называется интерферограммой, создаваемой перекрыванием одной волны другой, когда они ударяются о детектор в дальней от барьера частиц Однако если физик закрывает каждый раз по одной щели, электроны проходят через открытую щель как сбытые частицы и интерференционная картина исчезает. В эксперименте отложенного выбора экспериментатор решает, оставить ли открытыми обе щели или закрыть одну после того, как электроны уже прошли сквозь барьер — с теми же результатами. Кажется, что электроны заранее знают, что выберет физик, чтобы наблюдать за ними Этот эксперимент был проведен в самом начале девяностых годов и подтвердил предсказание Уилера.

Уилер объясняет эту загадку еще одной аналогией. Он сравнил работу физика с работой водящего в известной игре, когда над водящим решают подшутить. Этом варианте игры один человек выходит из комнаты, в то время как оставшиеся — или так думает водящий — Загадывают какую-то личность, место или вещь. Затем водящий возвращается и пытается догадаться, что загадали остававшиеся в комнате, задавая вопросы, на которые можно отвечать только «да» или «нет». Но водящий не знает, что над ним решили подшутить. Первый, кому водящий задаст вопрос, придумывает предмет только после того, как водящий задаст вопрос. Все остальные будут делать то же самое, давая ответы, согласующиеся не только с конкретным вопросом, но и со всеми предыдущими вопросами.

— Слова в комнате не было, когда я вошел, хоть я думал, что оно там есть, — объяснил Уилер.

Таким же образом электрон, перед тем как физик решит за ним наблюдать, не волна и не частица. Он в некотором роде нереален: он существует как неопределимая неопределенность.

— Пока не начнешь задавать вопросы, ничего не получишь, — сказал Уилер. — Ситуация не может заявить о себе, пока не задашь свой вопрос. Но один вопрос предотвращает и исключает другой. Так что если вы спросите, где в настоящий момент находится моя голубая мечта — а мне всегда интересно спрашивать у людей об их голубой мечте, — я сказал бы, что она заключается в идее, что все происходящее может быть сведено до чего-то, в широком смысле подобного той игре с вопросами.

Уилер сконцентрировал эти идеи во фразу, напоминающую коан из дзэн-буддизма: «Это из частицы». В одном из своих эссе, написанных в свободной форме, Уилер объясняет упомянутую фразу следующим образом: «…каждое „это“ — каждая частица, каждое силовое поле, даже само пространство-время — имеет началом своей функции, значения, всего своего существования — даже непрямо в некоторых случаях — ответы на вопросы, предполагающие ответа „да“ или „нет“, бинарные выборы, биты».

Вдохновленная Уилером большая группа ученых — специалистов по информатике, астрономов, математиков, биологов и физиков — в конце восьмидесятых начала исследовать связи между теорией информации и физикой. Подключились даже некоторые теоретики, занимающиеся суперструнами, пытаясь связать воедино квантовую теорию поля, черные дыры и теорию информации с пучком струн. Уилер признал, что эти идеи были еще сырыми и не готовыми для строгого тестирования. Он и его коллеги-исследователи все еще пытались выяснить «характер и рельеф местности» и «учились, как выразить вещи, которые мы уже знаем, на языке теории информации». Усилия могут привести в тупик, сказал Уилер, или к новому мощному видению реальности, «всего представления».

Уилер подчеркнул, что у науки осталось еще много тайн.

— Мы все еще живем в периоде детства человечества, — сказал он. — Все эти горизонты начинают зажигаться в наши дни: молекулярная биология, ДНК, космология. Мы просто дети, ищущие ответа.

Он выдал еще один афоризм:

— Так же, как увеличивается остров наших знаний, растет и наше невежество.

Тем не менее он тоже был уверен, что люди когда-нибудь найдут Ответ. В поисках цитаты, которая выразила бы его веру, он вскочил и достал книгу о теории информации и физике, в которую было включено его эссе. Открыв ее, он прочитал: «Конечно, когда-нибудь, и в этом можно быть уверенным, мы ухватим основную идею всего этого, такую простую, такую красивую, такую побуждающую к действию, что скажем друг другу: „О, как же могло быть иначе! Как мы все могли быть настолько слепы так долго!“». Уилер поднял глаза от книги; выражение его лица было блаженным.

— Я не знаю, сколько потребуется — год или десятилетие, — но я думаю, что мы можем понять основную идею и поймем ее. Это — главное, за что я намерен стоять. Мы можем понять и поймем.

Многие современные ученые, отметил Уилер, разделяют его веру в то, что люди когда-нибудь найдут Ответ. Например, Курт Гедель, когда-то живший по соседству с Уилером в Принстоне, верил, что Ответ могли уже обнаружить.

— Он думал, что, может, в бумагах Лейбница, которые в то время еще все не изучили, мы найдем — что там было за слово? — ключ философа, магический путь, чтобы найти истину и решить любой набор загадок.

Гедель считал, что этот ключ «даст человеку, понявшему его, такую силу, что можно будет доверять знание этого ключа только высокоморальным людям».

Тем не менее учитель самого Уилера, Бор, очевидно, сомневался, может ли наука вообще или математика достичь такого откровения. Уилер узнал о взглядах Бора не от самого великого человека, а от его сына. Как сказал Уилеру сын Бора после смерти отца, Бор считал, что поиск окончательной теории физики может никогда не прийти к удовлетворительному результату; по мере того как физики пытаются глубже проникнуть в природу, они будут сталкиваться с вопросами все возрастающей сложности и трудности, которые в конце концов подавят их.

— Наверное, я более оптимистичен, — сказал Уилер.

Он помолчал несколько секунд и добавил с редкой ноткой грусти: — Но, может, я только тешу себя.

Ирония заключается в том, что собственные идеи Уилера предполагают, что окончательная теория всегда будет миражом, что истина в некотором смысле воображаема, а не объективно понята. В соответствии с «это из частицы» мы создаем не только истину, но и саму реальность — «это» — вопросами, которые мы задаем. Точка зрения Уилера опасно приближается к релятивизму или даже хуже. В самом начале восьмидесятых организаторы ежегодного собрания Американской ассоциации развития науки включили Уилера в программу вместе с тремя парапсихологами. Уилер пришел в ярость. На собрании он четко дал понять, что не разделяет мнения тех, кто выступает вместе с ним по вопросу физических явлений. Он раздал памфлет, в котором сказал о парапсихологии: «Там, где дым, там дым».

Тем не менее сам Уилер предполагал, что нет ничего, кроме дыма. «Я стопроцентно серьезно отношусь к идее, что мир является плодом воображения», — сказал он однажды пишущему о науке физику Джереми Бернштейну (Jeremy Bernstein)[70]. Уилер прекрасно понимает, что этот взгляд с эмпирической точки зрения ничем не подкреплен: где был разум, когда родилась Вселенная? И что поддерживало Вселенную миллиарды лет до того, как мы появились? Тем не менее он смело предлагает нам прекрасный, отрезвляющий парадокс: в сердце всего — вопрос, а не ответ. Когда мы вглядываемся в глубочайшие тайники материи или в самый дальний угол Вселенной, мы видим в конце концов наши собственные удивленные лица, глядящие на нас самих.