[Перевод] Загляните в будущее, чтобы понять прошлое

Альтернатива ньютоновскому взгляду на мир обещает объяснить странности квантовой физики

Судя по лучшим из физических теорий, вы неправильно представляете себе время. В эйнштейновской ОТО нет разницы между прошлым и будущим, не говоря уже о понятии «сейчас». Также там нет направления, в котором «течёт» время; вместо этого пространство и время просто существуют в некоей четырехмерной структуре. Более того, все фундаментальные законы физики работают одинаково как вперёд по времени, так и назад.

Эти факты нелегко принять, поскольку они противоречат нашему субъективному восприятию времени. Но не расстраивайтесь: их нелегко принять даже физикам и это напряжение приводит физику в противоречие не только со здравым смыслом, но и с самой собой. И хотя физики много говорят о симметрии времени, они позволяют себе искать причины явлений, происходящих в мире, только в прошлом, а не в будущем.

Точно так же, как закрепление концов гитарной струны определяет её вибрации, далёкое прошлое и далёкое будущее Вселенной могут влиять на сегодняшние события.

Формулируя объяснения, большинство из нас мыслят в терминах Исаака Ньютона, установленных более 300 лет назад. Эта «ньютонова механика» принимает прошлое как основу и использует её для решения будущего, объясняя нашу Вселенную по шагам. Некоторые исследователи даже думают о вселенной как о выходных данных компьютерной программы. Такая картина – естественное следствие этой схемы. Даже после того, как наше понятие времени изменилось за последний век, ньютонова механика каким-то образом осталась в самых популярных физических системах взглядов.

Но применяя старую ньютонову систему мышления на новых эффектах квантового масштаба, мы оказались в ситуациях, которые нельзя объяснить. Если эти явления необъяснимы, то может быть, мы просто представляем их неправильно. Лучшие объяснения становятся доступными, если только мы готовы принимать во внимание ещё и будущее. Но ньютонова механика изначально неспособна на такие вневременные объяснения. Компьютерные программы работают в одном направлении и попытки скомбинировать две программы, работающие в противоположных направлениях, приводят к трясине парадоксов, характерных для плохо продуманных фильмов о путешествиях во времени. Чтобы рассматривать будущее с такой же серьёзностью, как и прошлое, нам явно нужна альтернатива ньютоновой механике.

И у нас она есть. Большинство физиков в курсе существования другой системы взглядов, альтернативы, в которой пространство и время анализируются беспристрастно. У этой т.н. лагранжевой механики также древние корни и она стала необходимым инструментом во всех областях фундаментальной физики. Но даже использующие этот подход физики противятся последнему очевидному шагу: представлять лагранжеву механику не как математический трюк, но как способ объяснения мира. Возможно, мы не принимаем свои собственные теории достаточно серьёзно.

Лагранжева механика не только позволяет давать объяснения на основе будущего. Она их требует. Одинаково расценивая прошлое и будущее, эта механика избегает парадоксов и делает возможными новые методы объяснений. И она может быть именно той точкой зрения, которая требуется для следующего прорыва.

Первый шаг к пониманию лагранжевой механики – полностью отстраниться от потока времени из ньютоновой. Это проще сделать, расценивая регионы пространства-времени холистически: рассматривая всю протяжённость сразу, а не как последовательные кадры фильма. Мы можем изобразить пространство-время в виде фиксированных четырёхмерных структур не только с пространственными, но и с временными рамками – начальная и конечная границы региона.

Вся классическая физика, от электричества до чёрных дыр, может быть выражена через простой лагранжевский принцип минимизации действия. Для его использования на отрезке пространства-времени сначала вы описываете ограничения физических параметров на всём его протяжении. Затем для каждого набора из возможных событий в этих рамках вы подсчитываете величину «действия». Набор событий с наименьшей величиной действия – тот, который случится, с учётом изначальных ограничений и нескольких технических моментов.

К примеру, для луча света, путешествующего из точки А в точку Б, действие соответствует длительности времени путешествия. Путь будет самым быстрым, учитывая препятствия. Если рассуждать так, то, луч света изгибается на поверхности стекла, чтобы минимизировать время в пути. Лагранжева механика в квантовой физике работает немного по-другому и приводит к появлению вероятностей, а не точных ответов, но суть та же: ограничения пространства-времени накладываются одновременно.

По ньютоновой логике это странно. Луч света в точке A каким-то образом предвидит будущее (о точке Б и будущих препятствиях), обладает обширными вычислительными возможностями (чтобы подсчитать несколько путей) и знаниями (для выбора наименьшего). Но странность – лишь доказательство того, что ньютоново и лагранжево мышление не смешиваются – и что нам, наверное, не нужно, приписывать свету человеческие черты.

Вместо объяснения событий только на основе прошлого, лагранжева механика начинает с общих граничных ограничений – включая и финальное. Если вы не наложите финального ограничение – для луча света эта точка Б – этот подход не выдаст правильный ответ. Но при правильном использовании успех математики доказывает логический приоритет граничных ограничений – граница любого региона пространства-времени объясняет его содержимое.

Подход Лангранжа обеспечивает самое элегантное и гибкое описание физики, и физики часто предпочитают его. Но, несмотря на применимость этих принципов, даже использующие их физики не принимают их буквально. Тяжело принять, что события можно объяснить на основе происходящего в будущем. Ведь есть же очевидные различия между прошлым и будущим. И если нам так очевидна стрела времени, как могут будущие ограничения влиять на происходящее наравне с прошлыми?

Но есть способ примирить лагранжеву механику с нашим повседневным опытом. Нам нужно только думать достаточно широко, не теряя из вида детали.

Физика обратима по времени. Если прожектор освещает статую, можно также сказать, что статуя освещает прожектор. Обычно мы этого не делаем, поскольку это нарушает наши ожидания по поводу значения слова «объяснение».

Допустим, вы сфотографировали статую со вспышкой. Каждый луч света подчиняется принципу наименьшего действия, выдавая идеально симметричный во времени путь. Но вместе они показывают очевидную асимметрию: изначальные ограничения А собраны вместе во вспышке, а конечные ограничения распределены по статуе. Более того, очевидно, что распространение света из А служит гораздо лучшим объяснением освещения Б, чем наоборот. Даже если бы мы посмотрели пути лучей света в обратном направлении, никто не мог бы утверждать, что свет концентрируется во вспышке из-за сложных световых узоров на статуе.

Отсюда можно вынести, что удовлетворительные объяснения обходятся со сложными событиями простыми методами. Они берут один факт с несколькими относящимися к делу параметрами для объяснения множества явлений. Это должно быть очевидным вне зависимости от использованной механики.

Но эта асимметрия А и Б не опровергает лагранжеву точку зрения, которая постулирует лишь, что А и Б вместе наилучшим образом объясняют детали произошедшего между ними. Даже в лагранжевой механике А и Б зависят друг от друга. Чтобы проследить их связь, давайте посмотрим шире. Согласно принципу ограничений лагранжевой механики, объяснения не выстраиваются в цепочку, а вкладываются одно в другое. Иначе говоря, мы не говорим, что событие А привело к событию Б, которое привело к событию В. Мы работаем с небольшим регионом пространства-времени целиком; затем рассматриваем его как часть более крупного региона (в пространстве и времени). Прилагая ту же лагранжеву логику, мы получим, что более крупные границы должны объяснять всё внутри них, включая изначальные границы.

Запустив эту процедуру для статуи, мы обнаружим ту же асимметрию лампочки и статуи в увеличенных масштабах. То есть, нас устраивает описание вспышки камеры в прошлом, но мы не объясняем подсветку статуи, заглядывая в будущее. Затем мы заключаем эту систему в ещё более крупную, и так далее, пока не дойдём до космологических границ – внешних границ Вселенной. Насколько мы знаем, та же асимметрия наблюдается и на таких масштабах – необычно гладкое распределение материи во время Большого взрыва и более беспорядочное распределение в будущем.

Если рассматривать обычные регионы пространства-времени с лагранжевой точки зрения, тот факт, что начальные границы (лучи света, исходящие от лампы вспышки) проще, чем конечные (подсвеченные статуи) доказывает, что наша ближайшая космологическая граница находится в прошлом. Эта последовательность подразумевает, что в сравнимом будущем не существует соответствующих космологических границ. И если принять Большой взрыв как наилучшее объяснение очевидных свойств Вселенной, очевидное направление течения времени не отличается от пространственного температурного градиента, который вы чувствуете, стоя у холодного окна. Ни в одном из этих случаев пространство или время не будут асимметричными; это просто вопрос вашего местоположения относительно ближайшей границы.

На классических масштабах, с которыми мы обычно сталкиваемся, мы не получим новой информации от будущей границы по сравнению с границей в прошлом. Если бы это было так на всех масштабах, у лагранжевой механики были бы проблемы, потому что будущая граница вообще ни на что не влияла бы. Но это будет не так, если мы опустимся на уровень квантовой неопределённости: детали микроскопического будущего нельзя вывести из прошлого. Именно на квантовых масштабах становятся очевидными все возможности лагранжевой механики.

Запутанная история: в стандартном эксперименте по квантовой запутанности пары частиц вылетают из источника и измеряются детекторами. Два компьютера, Алиса и Боб, генерируют случайные числа для контроля детекторов. События на детекторах управляют тем, что случается на источнике, несмотря на то, что они располагаются в будущем.

Квантовая запутанность – концепция, отвергающая ньютонову механику. Детали для нас не важны, поэтому рассмотрим общую суть типичного эксперимента по запутанности. Аппарат в центре создаёт две частицы. Левая отправляется в детектор, управляемый компьютером Алиса, а правая – в удалённый детектор под управлением компьютера Боб. Детекторы измеряют свои частицы одним из нескольких способов, определяемых случайными числами. Как продемонстрировал в знаменитом эксперименте ирландский физик Джон Белл в 60-х годах, результаты измерений коррелируют таким образом, который не поддаётся обычному объяснению.

Конкретно, общего прошлого частиц становится недостаточно для объяснения измеряемых корреляций, по крайней мере, не для полного спектра измерений, которые могут выбирать случайным образом Алиса и Боб. Конечно, многие учёные хотят объяснить это с физической точки зрения и им не нравятся попытки сделать это посредством чистой математики. Оставшись в непонятках, они начинают вызывать загадочные сущности, не существующие реально в пространстве или времени (и сами по себе требующие объяснений) или даже путешествующие быстрее света (нарушая всё, что мы знаем об эйнштейновской теории относительности).

Если отбросить эти отчаянные попытки, то все согласятся, что естественное объяснение можно было бы найти, только если бы частицы могли предугадывать случайные настройки Алисы и Боба заранее. Но большинство предложений о передаче частицам этой информации выглядят ещё более отчаянными, вплоть до жульничества: якобы частицы как-то вынюхают все входные данные генераторов случайных чисел и используют эту информацию для предсказания будущих настроек детекторов.

Почти никто не считает это достойным объяснением экспериментов по запутанности, как вы бы не приняли объяснение локализации света на лампе вспышки, отразившегося от сложных форм статуи. Такие попытки нарушают наши разумные стандарты объяснения: предполагаемый механизм работы гораздо сложнее простых результатов, которые он пытается объяснить.

В примере со статуей очевидным решением будет поиск более простых границ – вспышки – для наилучшего объяснения. Для квантовой запутанности, рассматриваемой с точки зрения лагранжевой механики, разумное объяснение будет почти таким же очевидным. Оно не затрагивает сложную предварительную работу с настройками детектора, оно заключается в будущих настройках детектора.

Загадочные запутанные частицы существуют в туманном регионе пространства-времени в будущем и границы этого региона включают их подготовку и их обнаружение детектором. Настройки, выбранные Алисой и Бобом, физически реализовываются в детекторах на конечной границе – именно там, где лагранжева механика говорит нам искать объяснения. Нам надо лишь позволить частицам ограничиться этой границей в будущем и сразу появляется простое объяснение экспериментов по запутанности. В этом случае будущее совместно с прошлым могут наилучшим образом объяснить наблюдения.

Квантовая запутанность может быть не единственной загадкой, которую можно разрешить, серьёзно рассматривая будущее в качестве объяснения. В других квантовых явлениях также может обнаружиться более простое объяснение, работающее в простых пространстве и времени безо всяких действий на расстоянии. Возможно, что вероятности в квантовой теории окажутся такими же, как вероятности в любой другой научной области: существующими из-за неизвестных нам параметров (поскольку некоторые из них будут находиться в будущем).

Подобное исследование подымет важные вопросы. Если будущее может накладывать ограничения на прошлое, почему последствия ограничены квантовым уровнем? Почему мы не можем использовать квантовые явления, чтобы отправлять сообщения в прошлое? На каких масштабах доминируют космические ограничения и как можно обобщить лагранжевы подходы, чтобы всё это заработало?

Поиск ответов на них может не только помочь физике, но и лучше понять то, как мы вписываемся в нашу четырёхмерную Вселенную. К примеру, согласно лагранжевой механике, микроскопические детали любого региона не полностью ограничены прошлыми границами. На уровне атомов мозга существуют важные, но неизвестные ограничения в будущем. Возможно, эти рассуждения даже помогут понять свободу воли, обосновав, каким образом будущее не полностью определяется прошлым. Это потребует от нас переосмысления идеи о существовании простой и очевидной разницы между фиксированным прошлом и открытым будущим.

Почти каждый раз, когда наука находила более глубокое, простое и удовлетворительное объяснение, это приводило к каскаду других научных открытий. Поэтому, если существует более глубокий уровень квантовых явлений, который мы ещё не освоили, его освоение приведёт к критическим прорывам в большом количестве технологий, использующих квантовые эффекты. Ошибочные инстинкты затормаживали научный прогресс в прошлом, и наши инстинкты, относящиеся к времени, пожалуй, одни из самых сильных. Но существует понятный путь для объяснения глубочайших тайн природы, если только мы сможем заставить себя взглянуть в будущее.