Скрытые правила реальности: физик из Оксфорда утверждает, что случайностей не существует

С самого рождения квантовой механики — теории начала XX века, описывающей странное поведение частиц на мельчайших масштабах, — понятие случайности приобрело в физике почти мифический статус. В микромире электронов, мерцающих вокруг атомов, и световых волн, ударяющих в детектор фотонов, исходы случайны — согласно законам вероятности. Но некоторые учёные теоретизируют, что квантовая механика неполна — потому что в ней не хватает глубинной истины: события вовсе не так уж случайны. Со временем эта идея просочилась за пределы физики, формируя более широкое представление: глубинная фундаментальная структура определяет исход даже, казалось бы, случайных событий.

Если такая неопределённость лежит в основе реальности, то из этого следует, что эти правила не только влияют на физические явления, но и могут влиять на случайные события в жизни человека — как хорошие, так и плохие.

Проблема непрерывности

Тимоти Палмер, профессор физики климата Оксфордского университета, указывает на то, что он считает фундаментальной проблемой: не саму реальность, а математику, используемую для её описания. В статье, которая сейчас проходит рецензирование в журнале Proceedings of the Royal Society, он утверждает нечто простое, но радикальное: не всякое математически возможное состояние, допускаемое квантовой теорией, действительно существует в реальном мире.

Теория субатомного мира опирается на то, что физики называют континуумом — плавное распределение чисел без пробелов, бесконечно простирающееся между любыми двумя точками. Этот мир включает такие числа, как π — бесконечное отношение, определяющее любую окружность, или квадратный корень из двух — длину диагонали квадрата, которую невозможно записать точно.

Палмер возражает против использования этого континуума для объяснения реальности. Вместо этого он предлагает убрать континуум из теории и ограничить то, что считается физически реальным. «Природа не выносит континуума», — говорит он. Другими словами, наблюдаемая Вселенная никогда на самом деле не требует бесконечно точных чисел. Они лишь добавляют возможности, которых не существует в природе.

Не всякая возможность реальна

Это представление не уникально для Палмера. Некоторые физики давно задавались вопросом, отражает ли непрерывная математика, используемая в мейнстримной квантовой механике, природу вещей саму по себе — или только пределы того, как человечество её описывает. Нобелевский лауреат Герард ’т Хоофт, известный своими работами по основам квантовой теории, утверждал, что квантовое поведение может возникать из более глубоких детерминированных правил, даже если на поверхности оно кажется беспорядочным. Карло Ровелли, ведущий исследователь в области квантовой гравитации, исследовал идею о том, что структура существования может распадаться на конечные единицы на самом нижнем уровне.

Что отличает Палмера, так это то, как далеко он продвигает эту идею. В своей статье он не просто ставит под сомнение континуум, но утверждает, что некоторые из этих гипотетических сценариев «что, если» вообще не существуют. Уберите их — и большая часть кажущейся странности начнёт исчезать. Даже кот Шрёдингера — знаменитый мысленный эксперимент, в котором кот существует в суперпозиции живого и мёртвого до наблюдения, — больше не находится в обоих состояниях одновременно, утверждает он.

За пределами вероятностей

Та же логика распространяется на случайность. В стандартной квантовой модели частица не имеет фиксированной траектории. Вместо этого теория присваивает вероятности: может быть, восемьдесят процентов на один результат и двадцать процентов на другой. Проведите эксперимент много раз — и эти цифры совпадут. Но для любого отдельного события — этого электрона, этого момента — теория не предлагает более глубокого объяснения. Почему этот результат, а не другой? Она не даёт ответа.

«Возможно, есть причина», — говорит Палмер, даже для единичного исхода, который кажется чисто случайным. С его точки зрения, «мир действительно детерминирован… он выглядит случайным, но на самом деле не случаен». То, что интерпретируется как случайность, может вместо этого отражать скрытую структуру, которую человечество ещё не видит.

Идея о том, что нечто может следовать строгим правилам и всё же казаться подбрасыванием монеты, может звучать парадоксально, но физика уже видела подобную иллюзию раньше.

Иллюзия случайности

В теории хаоса — области, в которой Палмер работал десятилетиями, — системы эволюционируют согласно точным законам и всё же ведут себя так, словно капризничают. Погода — главный пример; она управляется уравнениями, но её всё равно невозможно предсказать за определённым горизонтом. Неопределённость исхода возникает не из-за случайности, а из-за чрезвычайной чувствительности к начальным атмосферным условиям. Едва измеримое различие в температуре, давлении или скорости ветра может со временем усилиться, пока не изменит весь исход.

Возможно, квантовая механика скрывает подобную динамику на виду. То, что выглядит как случайность, может вместо этого обозначать пределы того, что можно отследить — а не отсутствие глубинного порядка. Как выразился Палмер, квантовая теория «не имеет ответа» на вопрос, почему происходит тот или иной исход в отдельном случае, потому что она предлагает только вероятности.

Проверка на квантовых компьютерах

Палмер считает, что есть способ проверить, является ли квантовая механика полной теорией, — с помощью квантовых компьютеров. Созданные для использования той самой неопределённости, которую его теория ставит под сомнение, эти машины могли бы предоставить доказательство. В принципе, эти устройства должны превосходить классические компьютеры в таких задачах, как факторизация очень больших чисел (основа современного шифрования). Квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут существовать в комбинациях нуля и единицы одновременно, позволяя им исследовать множество потенциальных решений одновременно. Чем больше кубитов, тем больше должно быть их преимущество.

Палмер, однако, ожидает, что это преимущество в конечном счёте сломается. Его предсказание: на определённом масштабе квантовые компьютеры перестанут вести себя так, как предсказывает теория, поскольку квантовый компьютер не может получить доступ ко всему необходимому диапазону, если не существует всякого математически возможного квантового состояния (континуума). Если же машины продолжат улучшаться, как ожидает мейнстримная наука, то его идея рухнет. Но если нет — если производительность застопорится там, где не должна, в ближайшие годы, — это может сигнализировать, что в действии находится нечто более глубокое, чем квантовая структура.

Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик, также рассматривает возможность того, что квантовая механика может не давать окончательных ответов в физике. Хотя она расходится с Палмером в некоторых деталях, Хоссенфельдер соглашается в одном ключевом пункте: реальность причинно-следственна, а не случайна. Если квантовые компьютеры достигнут предложенного Палмером фундаментального предела, это было бы «величайшим прорывом в физике за сто лет», — говорит она.

Детерминированный мир

Физика сверхмалого выдерживала все экспериментальные проверки на протяжении более века, заслужив репутацию одной из самых успешных теорий в науке. Но если предложенная Палмером проверка выявит трещины в этом успехе, последствия будут глубокими.

Потому что если случайность не фундаментальна, то, возможно, то, что называется удачей — заманчивое представление, застывшее между порядком и неожиданностью, — может стать чем-то совершенно иным: временным обозначением структуры, которую ещё только предстоит раскрыть. Мир, возможно, не играет в кости. И если это так, то даже самая непредсказуемая случайность в жизни может иметь причину, скрытую в правилах, которые человечество только начинает подозревать.