Эйнштейн, Бог и Большой взрыв

 

В Библии речь идет о сотворении мира. Космология – это отрасль науки, занимающаяся началом Вселенной и использующая при этом теорию относительности и квантовую механику. В этой главе мы разберемся со взглядами науки и религии на зарождение космоса.

Современная теоретическая физика родилась в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн впервые разбил наши привычные представления о времени, пространстве и скорости, создав специальную теорию относительности. Теория Эйнштейна показала, что время не является константой, время и пространство должны «искривляться», сокращаться и расширяться для того, чтобы соответствовать настоящей константе мироздания – скорости света. Ничто в мире не может двигаться быстрее света. По мере приближения к скорости света масса тела увеличивается до бесконечности, а время (по отношению к стороннему неподвижному наблюдателю) замедляется.

Кроме того, в 1905 году Эйнштейн показал: масса эквивалентна энергии, что следует из знаменитого уравнения E = mc 2. Этот принцип положен в основу работы Большого адронного коллайдера (БАК), построенного в международной физической лаборатории Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН, CERN), расположенной близ Женевы в Швейцарии. БАК – это гигантский ускоритель элементарных частиц. Коллайдер создан, исходя из представления о том, что эффективная масса разогнанных до высоких скоростей частиц становится огромной и выделяет колоссальную энергию при их столкновении.

Выделившаяся энергия преобразуется в новые, не существовавшие ранее частицы, например в «божественную частицу», так называемый бозон Хиггса, об обнаружении которого было недавно объявлено. Считают, что именно эта частица появилась вскоре после Большого взрыва, приобретя конечную массу и породив обладающие массой другие частицы во Вселенной.

Согласно современным космологическим теориям, Большой взрыв создал лишь чистую энергию. Обладающие конечной массой покоя частицы – такие, как электроны и кварки, из которых возникли протоны и нейтроны (то есть ядра всех атомов, составляющих материю), получили свою массу от бозона Хиггса. Лишенной массы покоя осталась лишь одна частица – фотон, вездесущая частица света.

Важно, однако, понять, что эксперименты на Большом адронном коллайдере, имитирующие события, происшедшие в ходе Большого взрыва, не создают материю «из ничего». Протоны разгоняются в туннеле под действием мощного магнитного поля, которое заставляет их лететь по кругу. Установка потребляет электроэнергию в количествах, достаточных для обеспечения крупного города.

Существующим частицам придается кинетическая энергия (энергия движения) за счет электрической, преобразованной в электромагнитные поля. При столкновении частиц выделяется столько же энергии, сколько они ее получили в результате разгона (плюс их энергия покоя, рассчитанная по формуле Эйнштейна), и эта энергия порождает новые частицы. Помимо всего прочего, эти процессы демонстрируют один из основополагающих физических законов – закон сохранения энергии: энергия (в форме массы, излучения или движения) просто меняет форму, но ее нельзя ни создать, ни уничтожить. В этом процессе энергия не возникает «из ничего».

Эйнштейн понял, что новый взгляд на физику, раскрытый им в частной теории относительности, повлияет на понимание природы гравитации и механизмов ее действия. Понимал Эйнштейн и то, что его принцип относительности поколеблет величественное здание теории механики, возведенное Ньютоном. Когда объекты начинают двигаться очень быстро, их массы резко увеличиваются, и для таких случаев необходимо вводить поправки в механику Ньютона.

Для того чтобы создать Общую теорию относительности, которая включала бы в себя как частный случай систему Ньютона, потребовалось несколько лет напряженной работы в области математики. Наконец, на исходе 1915 года, через десять лет после создания частной теории относительности, Эйнштейн представил полную релятивистскую теорию тяготения: Общую теорию относительности. Она была опубликована в 1916 году. Уравнения Эйнштейна, созданные для этой теории, отличаются математически четкой симметрией и структурой, то есть качеством, каковое математики и физики-теоретики называют изяществом. Уравнения эти точны и лаконичны: они содержат все, что необходимо для модели сложной физической системы, но ничего лишнего. Выражаясь словами самого Эйнштейна, они были «просты, насколько это возможно, но не более того». Во всяком случае, они послужили своей цели – релятивистскому объяснению всемирного тяготения.

В Общей теории относительности Эйнштейн утверждает, что пространство искривляется вокруг массивных объектов; и в этом смысле Общая теория относительности является геометрической теорией, так как показывает, что под влиянием гравитации изменяется геометрия пространства-времени. Массивные объекты искривляют пространство вокруг себя. Пространство и время объединяются в новое понятие – пространство-время.

Эйнштейну было нужно физическое доказательство справедливости теории, и оно было представлено английским астрономом и физиком Артуром Эддингтоном, секретарем Королевского астрономического общества. Во время Первой мировой войны Эйнштейн не мог посылать письма в Британию, так как она была вражеской страной, и тогда он передал Эддингтону ряд своих статей через друга, нидерландского физика Виллема де Ситтера, жившего в нейтральной Голландии. Таким образом, Эддингтон познакомился с Общей теорией относительности намного раньше, чем остальные ученые, жившие за пределами Германии.

Будучи убежденным пацифистом, Эддингтон отказался служить в армии во время войны. Учитывая, что он был известным ученым, создавшим важные теории происходящих внутри звезд процессов, Британия дала ему разрешение не вступать в ряды вооруженных сил. Эддингтон продолжал заниматься наукой. Он организовал экспедицию на расположенный в Атлантическом океане остров Принсипи для наблюдения за солнечным затмением, которое должно было произойти 29 мая 1919 года. Другая группа ученых отправлялась в Бразилию наблюдать то же самое затмение. Обе группы должны были исследовать поведение света звезд, глядя на Солнце – точнее, на то место, где Солнце пряталось за Луной во время полного затмения. Задача заключалась в том, чтобы выявить отклонения лучей звездного света, которые должны происходить, если справедлива Общая теория относительности.

Несмотря на риск заболеть малярией, на обилие ядовитых змей и отвратительный климат, экспедиция увенчалась успехом: обеим группам, на Принсипи и в Собрале, удалось сделать фотографии, подтверждавшие, что вокруг Солнца происходит именно такое искривление звездного света, какое предсказывала Общая теория относительности (в пределах статистической погрешности). После того как экспедиции вернулись в Британию и представили научному сообществу свои результаты, Эйнштейн в один день стал всемирной знаменитостью.

С тех пор Общая теория относительности подтверждалась многими экспериментами, в которых были верифицированы ее предсказания. Общая теория относительности помогла разрешить загадку смещений перигелия Меркурия – ближайшей к Солнцу точки его орбиты. До тех пор никому не удавалось объяснить эти смещения с точки зрения механики Ньютона. Было подтверждено существование предсказанных Общей теорией относительности черных дыр при помощи наблюдения материи, которая исчезает в них, испуская при этом рентгеновские лучи. Ученые наблюдали множество других феноменов, которые теперь можно было объяснить исходя из Общей теории относительности. Один из таких феноменов – гравитационное красное смещение: длина волны света увеличивается под воздействием гравитации.

Общая теория относительности Эйнштейна изменила наш взгляд на природу. Еще до подтверждения справедливости этой теории Эддингтоном Эйнштейн попытался приложить выводы своей теории к Вселенной как целому. Он решил построить общую релятивистскую модель всей Вселенной, то есть решить задачу, которая казалась ученым непосильной. Всем, но не Эйнштейну.

К 1917 году Эйнштейн разработал космологическую модель всей вселенной. Основываясь на астрономических знаниях своего времени, он допустил, что «Вселенная» – это наша Галактика, Млечный Путь. Андромеда, ближайшая к нам другая галактика, видимая в безлунную ночь невооруженным глазом, считалась в то время туманностью в пределах Млечного Пути. Согласно уравнению Эйнштейна, Вселенная не может быть статичной. Однако поскольку Эйнштейн был уверен в том, что наша Галактика не расширяется и не сокращается, ему пришлось «остановить» свою теоретическую Вселенную, и он добавил в уравнение коэффициент, названный им «космологической постоянной». Таким образом, он получил формулу, в которой Вселенная стала застывшей и статичной, и у такой Вселенной не было начала и не будет конца.

Космологическая константа продержалась в уравнении Эйнштейна до начала 1930-х годов, до поездки ученого в Калифорнию, где он познакомился с Эдвином Хабблом. Хаббл рассказал Эйнштейну о своем открытии, сделанном в 1929 году. Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется. К такому выводу он пришел на основании движения отдаленных галактик, которое он со своими сотрудниками Весто Слифером и Милтоном Хьюмасоном наблюдал в обсерватории Маунт-Вилсон с помощью двухсотпятидесятисантиметрового телескопа-рефлектора. В то время Хаббл, возможно, еще не понимал, что сам факт расширения Вселенной говорит о том, что изначально она была очень мала. Теперь это начало называют Большим взрывом.

 

Совершенно по-иному начало Вселенной (и это естественно) изложено в библейской книге Бытия, написанной отнюдь не учеными около трех тысяч лет назад: вначале не было ничего, а потом Бог создал Вселенную. Авторы книги Бытия понимали, что космос должен иметь начало. Напротив, многие великие ученые начала XX века верили в то, что Вселенная существовала всегда. Эйнштейн был среди них с 1917 по 1932 год. Однако в данном случае Библия оказалась права.

Я далек от мысли прибегать к Библии как к источнику информации о возникновении Вселенной, но хочу подчеркнуть этот пункт, чтобы показать читателю, что наука, основанная на неверных предпосылках, приводит к неверным выводам. Прежде чем говорить, что мы точно знаем, как возникла вселенная, нам следует хорошенько проанализировать научные данные.

Интересно, что теорию Большого взрыва разработали не астрономы, открывшие расширение Вселенной (Слифер, Хьюмасон и Хаббл). Теорию эту предложил бельгийский католический священник. В 1927 году Жорж Леметр, посвященный в духовный сан католический священник, поступил в Массачусетский технологический институт, чтобы изучать математику. Впоследствии он экстраполировал данные, полученные Хабблом, Слифером и Хьюмасоном, назад по шкале времени и пришел к выводу, что если Вселенная расширяется, то в прошлом она была тем меньше, чем более ранние отрезки времени мы будем рассматривать. Пользуясь математическим аппаратом, Жорж Леметр смог отмотать назад пленку исторического кинофильма о развитии Вселенной до ее возникновения и показал, что она, как об этом написано в Библии, и в самом деле имеет начало.

Зародыш Вселенной Леметр назвал «первозданным атомом». Свою теорию Большого взрыва он представил в безупречно написанной математической статье, которая и сегодня удивляет читателя своей непротиворечивостью и точностью. Однако Эйнштейн, убежденный в правильности своих выводов относительно «статичности» Вселенной, поначалу выступил с критикой священника, сказав ему: «Ваши расчеты корректны, но физика – ужасна». Это был первый из нескольких споров, проигранных Эйнштейном. Священник, руководствовавшийся безупречной математикой, оказался прав.

Этот спор отражает главную проблему науки: уравнения не могут быть лучше своих предпосылок и допущений. Если допущение неверно и не соответствует природным фактам, то уравнения приведут к неправильным выводам, даже если эти уравнения будут выведены величайшими умами человечества.

Теперь мы знаем, что у Вселенной было начало – Большой взрыв. С помощью телескопов, наблюдений со спутников и таких ускорителей, как Большой адронный коллайдер, мы убедились, что можем понять, как развивалась Вселенная спустя доли секунды после взрыва ее «сингулярности» («первозданного атома» Леметра: места, где не действовали ныне известные нам законы физики) до ее нынешнего состояния. Но мы не знаем и, вероятно, никогда не сможем узнать, какая причина вызвала Большой взрыв и что было (если вообще было) до того, как он произошел.

Когда я в 2010 году брал интервью у нобелевского лауреата физика Стивена Вайнберга для статьи о нем в журнале Scientific American, я спросил ученого: «Какая причина вызвала Большой взрыв и что происходило в природе до него?» Ответ был на удивление прост: «Этого мы не знаем, и у нас нет никакого способа это выяснить». Этот ответ, данный одним из ведущих физиков и мыслителей нашего времени, убеждает меня в том, что наука не может опровергнуть существование «творца». Если наука не может привести нас к реальному моменту творения и к событиям, ему предшествовавшим, то как можем мы опровергать некую предвечную сущность и силу, направлявшую развитие Вселенной?

Как мы увидим ниже, некоторые физики занимались построением гипотетических моделей, ибо нет данных о том, что повлияло на Большой взрыв или на то, что происходило до него, – первоначальное возникновение Вселенной. Однако все эти модели не возникают «из ничего»: в них всегда присутствует некая предсуществующая субстанция, среда, из которой и возникла Вселенная. (Часто эту среду называют квантовой пеной — плотной совокупностью пузырьков пространства и времени, в которой они тесно переплетены между собой благодаря эффектам, постулированным теорией относительности и квантовой механикой.) На самом деле, нет никаких логических оснований принимать, что Вселенная возникла из ничего; должно было существовать что-то, из чего она образовалась.

Труды физиков последнего столетия привели к созданию теории «унификации сил». Сейчас мы выделяем в природе четыре вида сил: силу тяготения, электромагнетизм, а также слабое и сильное внутриядерное взаимодействие. Однако теоретический прогресс (в частности, создание теории суперсимметрии) привел физиков к убеждению в том, что четыре силы природы были когда-то объединены в одну силу, а именно сразу после Большого взрыва. Эта сила была названа сверхсилой. Ее существование вытекает из экстраполяции уравнений физики назад по времени. Но что это за сверхсила, единая, невероятно могущественная сила природы, управлявшая нашей Вселенной, когда она была еще очень молода? Природа этой силы неизвестна и загадочна, но именно благодаря ей мы существуем. Эту силу можно назвать Богом.

 

Прежде чем продолжить рассуждения о науке и ее отношении к религии, я считаю необходимым коснуться некоторых высказываний новых атеистов об Эйнштейне как о личности. Некоторые биографы рисуют Эйнштейна как законченного атеиста, «неверующего», как «непрактикующего еврея». Эйнштейн действительно не придерживался догм какой-то одной институциональной религии, включая и родной ему иудаизм, но, вероятно, он не был неверующим в том смысле, в каком нас пытаются убедить новые атеисты.

Известно, что в 1913 году, будучи в Праге, Эйнштейн посещал синагогу, а это был период его самой плодотворной научной работы. По-видимому, он все же верил в Бога: в некую сущность, создавшую законы природы, которые Эйнштейн познавал всю свою жизнь.

Эйнштейн всегда говорил о «Боге», утверждая: «Господь неуловим, но не злобен» (он говорил это, когда его внимание привлекали к вздорным возражениям против теории относительности) и «Хотелось бы мне знать мысли Бога, все остальное – детали». Едва ли такие слова мог бы произнести Ричард Докинз. Однако их произносил Эйнштейн, у которого много подобных высказываний о Боге, причем звучащих весьма отчетливо и убежденно.

Однажды маленькая девочка прислала Эйнштейну письмо, в котором просила рассказать о его религиозных взглядах. Краткий ответ ученого говорит о его вере больше, чем могли бы сказать толстые тома.

 

Дорогая Филлис.

Я постараюсь как можно проще и понятнее ответить на твой вопрос. Вот мой ответ.

Ученые верят в то, что все, что происходит в мире, в том числе и с человеческими существами, подчиняется законам природы. Поэтому ученый не может быть склонен к вере в то, что на ход событий можно повлиять молитвой, то есть каким-то сверхъестественным способом.

Тем не менее мы должны признать, что слишком мало знаем об этих силах, и поэтому в конечном счете убеждение в существовании окончательного вечного духа зиждется на какой-то вере. Эта вера остается распространенной в мире, несмотря на современные достижения науки.

Однако каждый, кто серьезно занимается наукой, убеждается в том, что в законах природы незримо присутствует дух, намного превосходящий дух человека. Таким образом, занятия наукой приводят к религиозному чувству особого рода, к чувству, которое, несомненно, сильно отличается от религиозности менее искушенных и более наивных людей.

С сердечным приветом,

твой А. Эйнштейн.

 

В свете всего этого утверждать, что Эйнштейн был самым выдающимся ученым атеистом современности, – это искажение его истинных взглядов. Он считал себя, возможно, аллегорически, особо одаренным человеческим существом, наделенным миссией раскрыть «мысли Бога» или, по крайней мере, божественные законы природы. Таким образом, Эйнштейн не был в действительности тем человеком, которого в качестве герба могли бы взять на свои щиты рыцари атеистического «крестового похода».

В своей книге «Вселенная из ничего»[11] Лоуренс Краусс цитирует Эйнштейна: «На самом деле, я хочу знать, был ли у Бога [sic!] какой-либо выбор при сотворении Вселенной». Уточнитель [sic] вставляют в текст, когда хотят обратить внимание читателя на грамматическую или синтаксическую ошибку в цитате или на содержательное недоразумение в ней. Но Эйнштейн не нуждался в интерпретациях Лоуренса Краусса для того, чтобы быть правильно понятым.

Мало того, Краусс пытается «объяснить», что, на самом деле, имел в виду Эйнштейн:

 

Я прибегнул к этому комментарию, потому что Бог Эйнштейна – это не Бог Библии. Существование удивительного порядка в строении Вселенной внушало Эйнштейну ощущение такого великого чуда, что вызывало ощущение духовной привязанности к нему, которое он, следуя Спинозе, определил именем «Бога».

 

Учитывая, что Эйнштейн не один раз ссылался на Бога в своих сочинениях, нам следовало бы поинтересоваться, на каком основании Краусс толкует его слова так, как будто Эйнштейн был неграмотным и сам не понимал, что говорил.

Ясно, что Краусс следует примеру Ричарда Докинза и, несомненно, был так встревожен высказываниями о Боге, сделанными одним из величайших умов XX века, что начал свою книгу толкованием слов Эйнштейна для неразумных читателей. В главе 1 своего труда «Бог как иллюзия», названной «Глубоко религиозный неверующий человек», Докинз утверждает, что Эйнштейн «имел в виду совсем другое», когда говорил о Боге. Докинз цитирует Эйнштейна: «Наука без религии хромает, а религия без науки слепнет». Далее Докинз говорит, что люди склонны вырывать из контекста высказывания Эйнштейна о Боге; впрочем, этим в немалой степени грешит и сам Докинз.

Отношение Эйнштейна к Богу, или к тому, что он называл Богом, было неоднозначным и сложным. В книге «Эйнштейн: его жизнь и время» Филипп Франк, одаренный физик и близкий друг Эйнштейна, писал: «Приехав в Прагу на должность профессора, Эйнштейн стал членом пражской религиозной еврейской общины». Правда, Франк подчеркивает, что отношения Эйнштейна с общиной были не особенно тесными. Помимо этого, Эйнштейна радушно принимали в круг еврейских интеллектуалов довоенной Праги: «В то время там уже существовала еврейская группа, собиравшаяся наладить независимую интеллектуальную жизнь среди евреев… Членов этой группы вдохновляли полумистические идеи еврейского философа Мартина Бубера… Эйнштейн был представлен членам группы, познакомился с Францем Кафкой, но особенно сдружился с Хуго Бергманом и Максом Бродом». Франк далее поясняет, что эта группа хотела создать еврейскую культурную среду, не основанную на ортодоксальном иудаизме, но тем не менее еврейскую по своей природе.

Описывая этот период жизни Эйнштейна, его пражские годы, Альбрехт Фёльзинг в книге «Альберт Эйнштейн» (1993 год) пишет и об отношении Эйнштейна к религии. Согласно Фёльзингу, Эйнштейн, сравнивая чехов и немцев с еврейскими интеллектуалами Праги, говорил, имея в виду первых, о «бедности идей, лишенных веры». Далее Фёльзинг говорит, что в Праге Эйнштейн вернулся в лоно своей еврейской религии. Он цитирует самого Эйнштейна: «Я снова открыл в себе еврея». И комментирует: «Вероятно, пребывание в Праге задело в его душе какие-то струны, ибо через два года – то есть всего через пять лет после своего приезда в Берлин – Эйнштейн впервые и весьма решительно заявил о своей принадлежности к еврейству». Далее Фёльзинг снова цитирует Эйнштейна: «Это была чисто эмоциональная реакция, она не являлась результатом того, что на меня снизошла какая-то часть нашего духовного наследия».

Мы знаем, что Эйнштейн не верил в персонифицированного Бога, который следит за поступками людей и активно вмешивается в их жизнь. Однако приведенные выше высказывания Эйнштейна и эпизоды его жизни, ссылки ученого на Бога при описаниях физических явлений ясно говорят о том, что он верил в некую высшую силу, создавшую законы природы, которые Эйнштейн был призван открыть. Таким образом, Эйнштейна нельзя считать атеистом, и совершенно неуместно говорить, что, ссылаясь на Бога, он имел в виду нечто другое.

 

Глава 6

Бог и квант

 

Слово «революция» – слишком мягкое выражение для описания возникновения квантовой теории, нового взгляда на природные процессы, протекающие в мире атомов и элементарных частиц. Квантовая теория была создана в 20-е годы прошлого века группой молодых физиков, главную роль в которой играли Эрвин Шредингер, Вернер Гейзенберг, Поль Дирак, Вольфганг Паули, Нильс Бор и Макс Борн.

Эти молодые революционеры перевернули физику с ног на голову: были поставлены под вопрос причинно-следственные связи, пространственное расположение частиц и одновременность. В мире квантов все происходит не так, как в привычном для нас мире. В 1935 году Эрвин Шредингер придумал знаменитый пример с котом, который может быть одновременно живым и мертвым, для того чтобы проиллюстрировать таинственный мир квантов и показать, что в квантовой механике существует понятие суперпозиции состояний частиц. Квантовые частицы могут одновременно находиться здесь и там, точно так же как гипотетический кот может быть одновременно живым и мертвым.

Мысленный эксперимент Шредингера заключался в том, что кота помещают в закрытый ящик. В ящике находится стеклянный флакон с синильной кислотой, соединенный с механизмом, который разбивает флакон, высвобождает пары синильной кислоты и убивает кота, если расщепляется атом радиоактивного вещества, небольшое количество которого тоже находится в ящике. Идея Шредингера заключалась в том, что расщепление атома является квантовым событием, то есть подчиняющимся законам квантовой механики. Радиоактивный атом находится в смешанном состоянии, и это состояние передается коту с помощью макроскопического механизма, соединенного с флаконом цианида, пары которого действуют на кота. Так как мы не знаем, расщепился атом или нет, кот, следовательно, находится в суперпозиции двух состояний: живом и мертвом – до тех пор, пока мы не откроем ящик и не свернем волновую функцию (одна из характеристик кванта – это волна; свертывание волновой функции превращает квантовую суперпозицию в определенное конечное состояние), и кот впадет в одно из двух состояний – живое или мертвое (рис. 8).

 

Рис. 8. Квантовое чудо – частица может находиться в суперпозиции двух состояний, как кот Шредингера, который может быть одновременно и живым, и мертвым

 

Помимо суперпозиции состояний, возможной благодаря волновой природе материи на микроскопическом уровне, существует множество других явлений, заставляющих квантовые частицы вести себя очень странно. Две или более частицы могут быть настолько глубоко связаны друг с другом, что ведут себя как одна частица, даже если находятся на расстоянии полутора километров друг от друга. Эта идея принадлежит Эйнштейну, использовавшему ее для нападок на квантовую теорию, которую он не любил, хотя сам явился одним из ее создателей, когда открыл фотоэлектрический эффект, показывающий, что свет ведет себя как поток частиц. (До этого свет считали волной; сегодня мы знаем, что свет одновременно проявляет и волновые, и корпускулярные свойства.)

В 1935 году Эйнштейн и двое его коллег предложили «парадокс» квантовой механики, названный по их именам (Эйнштейн, Подольский, Розен) парадоксом ЭПР. Эйнштейн пытался использовать ЭПР-парадокс для того, чтобы дискредитировать только что созданную квантовую теорию (в этом отношении он потерпел неудачу, поскольку квантовая теория сумела доказать свою состоятельность). Парадокс заключается в том, что если принять всерьез волновое строение материи, то частицы, взаимодействующие в прошлом, останутся связанными между собой, и если волновая функция, которая ими управляет, вдруг свернется (даже если в настоящий момент частицы находятся в разных местах), то подобным образом будут вынуждены поступить и другие частицы. Много лет никто из физиков не знал, как быть с головоломкой парадокса ЭПР: если частицы и в самом деле ведут себя именно так, то этот феномен может опрокинуть все наши представления о локальности – любой находящийся здесь объект может подвергнуться влиянию события, происшедшего на большом удалении от него.

Работавший в Европейском центре по ядерным исследованиям североирландский специалист по квантовой теории Джон Белл спустя 30 лет принял всерьез парадокс Эйнштейна и в 1960-е годах опубликовал статьи, содержавшие так называемые теоремы Белла, которыми можно воспользоваться для выявления подобной взаимозависимости в реальном мире. Серия экспериментов, проведенных в Калифорнии Джоном Клаузером и в парижском Университете Орсэ Аленом Аспектом, действительно подтвердила наличие такой зависимости: частица одной локальности ведет себя согласованно с частицами, находящимися на другом конце помещения или на другом конце Вселенной. Мало того, эти изменения в состоянии частиц происходят мгновенно, то есть быстрее, чем световой сигнал смог бы доставить информацию от одной частицы к другой.

Но это не единственная странность мира квантовой механики. В этом мире невозможно отличить причину от следствия, то есть сказать, загорелся ли лес от непотушенной спички, или спичка вспыхнула в результате лесного пожара. Для того чтобы решить проблему причинно-следственных отношений в квантовой механике, ученым пришлось прибегнуть к теории вероятностей.

За странные вероятностные законы квантовой механики немедленно ухватились «научные атеисты», используя их как аргумент в своих утверждениях об отсутствии Бога. По их мнению, эти вероятностные правила и законы каким-то образом заменяют Бога. Научные атеисты считают, что поскольку у нас есть квантовые законы, нам самим еще не вполне понятные, постольку у нас нет нужды в «творце». Согласно Лоуренсу Крауссу, «все мы (в буквально смысле этого слова) возникли из квантового ничто». Но ведь сами по себе правила квантовой механики не подразумевают того, что наша Вселенная обязательно возникла из пустоты.

Помимо того что мы не вполне понимаем саму квантовую теорию, мы еще и не знаем границ ее применимости: неизвестно, где на шкале размерностей находится та точка, в которой объекты перестают вести себя по законам привычной классической механики и начинают действовать в соответствии со странными законами квантовой физики.

Хорошая научная теория позволяет делать достоверные предсказания относительно результатов будущих наблюдений. Однако законы квантовой механики настолько своеобразны, что могут предсказывать лишь вероятности возможных результатов наблюдений. Квантовая механика опирается на представление, согласно которому частица является одновременно и волной. Волновые процессы приводят к распределению вероятностей возможных исходов любого эксперимента. В соответствии со стандартной или копенгагенской интерпретацией (немецкий физик Вернер Гейзенберг, предложивший такую интерпретацию, работал в то время в Копенгагене под руководством пионера квантовой механики, датского физика Нильса Бора), мы можем предсказать лишь вероятность исхода данного эксперимента, а не его конкретный результат. Согласно Гейзенбергу и Бору, волновые свойства частицы исчезают, когда мы ее регистрируем и измеряем. В результате измерения мы получаем конкретную величину из распределения вероятностей (которая представляет собой квадрат амплитуды волновой функции в данной точке).

Есть и альтернативная, хотя и менее правдоподобная, интерпретация квантовой механики, предложенная Хью Эвереттом, – теория «множества миров». Это предположение еще более фантастическое, нежели вероятностный подход: то, что не происходит здесь и в данный момент, на самом деле происходит в другом мире. Мы проводим опыт и получаем один из множества возможных результатов, заложенных в волновой функции любой частицы. Поскольку другие исходы опыта тоже возможны, постольку, согласно теории Эверетта, они действительно происходят, но в других мирах.

Но если теория не может предсказать действительный результат, то она не дает нам совершенного знания. Таким образом, вызывает большие подозрения попытка использовать квантовую физику для опровержения существования Бога. Это сильный аргумент против позиции «новых атеистов», которые утверждают, будто квантовая механика «говорит нам», что Вселенная возникла из пустоты. К этому аргументу «новых атеистов» мы еще вернемся.

Один из самых волнующих эпизодов моей карьеры математика и ученого имел место осенью 1972 года, когда мне выпало счастье познакомиться с одним из отцов квантовой теории Гейзенбергом, который в том году посетил физический факультет Калифорнийского университета в Беркли, где я изучал физику. Гейзенберг провел с нами незабываемую беседу, описав свое открытие принципа неопределенности, управляющего поведением квантов.

Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что произведение неопределенностей в моменте движения и положения частицы не может быть меньше некоторой постоянной (связанной с постоянной Планка – числом, определенным немецким физиком Максом Планком). Если мы измерим положение частицы, то тем самым нарушим ее состояние, и, следовательно, если мы после этого измерим момент ее движения, то получим значение, отличное от того, какое бы мы получили, если бы измерили сначала момент. Измерение же момента сначала нарушит его, и определенное затем положение будет отличаться от того, какое бы мы получили, если бы сначала измерили положение.

Принцип неопределенности управляет всеми событиями в квантовом мире: значения переменных точно неизвестны. В наиболее распространенной форме принцип неопределенности Гейзенберга расширяют за область нахождения момента и положения частиц и применяют к двум самым важным физическим понятиям – энергии и времени.

Принцип неопределенности утверждает, что на микроскопическом уровне атомов, молекул и более мелких частиц невозможно ничего знать с полной определенностью, любое утверждение будет иметь лишь бóльшую или меньшую вероятность в пределах статистического приближения. Если мы точно знаем значение энергии, то не можем точно знать время, связанное с этим уровнем энергии; если мы точно знаем время протекания процесса, то не можем точно знать количество выделившейся или поглощенной энергии.

Квантовая теория позволяет нам делать вероятностные или статистические предсказания, хотя та же квантовая теория дает возможность точно предсказывать значения природных констант. Вероятностные предсказания квантовой механики относительно результатов экспериментов отличаются беспрецедентной точностью. Если, например, для какого-то эксперимента квантовая теория говорит нам, что имеет место вероятность, равная 0,5 того, что спин данной частицы будет направлен «вверх», и 0,5 – что «вниз», то если в опыте мы измерим спины одного миллиона частиц, то спины практически половины из них будут направлены «вверх», а половины – «вниз».

Квантовая теория, кроме того, весьма успешно предсказывает значения энергетических уровней атома водорода (включая феномен, называемый лэмбовским сдвигом, который объясняют взаимодействием электрона с виртуальными частицами в «вакууме»).

В уравнении, выведенном Эрвином Шредингером в 1925-м и опубликованном 1 января 1926 года (известно как уравнение Шредингера), были использованы волновые свойства материи, открытые за несколько лет до этого Луи де Бройлем. Это «волновое уравнение» является дифференциальным уравнением, задающим поведение квантовых частиц, если рассматривать их как волны. Неопределенность квантового мира проявляется в этом уравнении так же, как и в работах Гейзенберга, так как волна колеблется и ее колебания можно интерпретировать (если возвести их амплитуду в квадрат) как распределение вероятностей состояния частиц, обладающих волновой функцией. То есть можно считать, что поведением малых частиц управляют законы квантовой механики.

Мы знаем, что волны обладают свойством аддитивности. Можно сложить две волны конструктивно (представьте себе две волны в океане, из которых вторая превосходит по амплитуде предшествующую, и их наложение дает в результате волну большей амплитуды, чем у каждой из этих волн) или деструктивно, когда впадина одной волны накладывается на пик другой. В результате мы получаем плоскую сумму двух волн – амплитуды их взаимно уничтожают друг друга.

Именно волновая природа частиц делает квантовый мир таким, какой он есть, и является причиной его странных свойств: волновая природа частиц допускает суперпозицию состояний (Кот в упомянутом выше мысленном эксперименте находится в суперпозиции, являясь одновременно живым и мертвым.) (рис. 9).

 

Рис. 9. Волновые функции в квантовой механике можно складывать и вычитать точно так же, как две океанские волны, которые, складываясь, образуют бо́льшую волну (или меньшую, если они взаимно нивелируют друг друга)

 

Ричард Фейнман расширил идею суперпозиции, разработав теорию, согласно которой частицы переходят из одного положения в другое, используя «все возможные пути». Так, для того чтобы перейти из точки А в точку Б, частица может воспользоваться не только прямым путем АБ, но «может по дороге заглянуть в ресторан, где подают восхитительные креветки, потом несколько раз облететь Юпитер и только после этого вернуться домой», как пишут Хокинг и Млодинов в своей книге «Высший замысел»[12]. Каждый путь из А в Б характеризуется своей вероятностью, и в окончательных вычислениях используют тот, который характеризуется наибольшей вероятностью.

Однако, согласно этой курьезной теории (предсказания которой тем не менее великолепно подтверждаются в экспериментах, и она, таким образом, «работает»), ни у одного процесса не существует определенной «истории»: частица в упомянутом процессе использует все пути из А в Б, но с различной вероятностью. Хокинг и Млодинов опираются на идею Фейнмана для того, чтобы прийти к заключению: у Вселенной нет определенной и точной истории.

Иными словами, авторы имеют в виду, что точно так же, как <