В потоке научно-популярных публикаций один за другим промелькнули два независимых друг от друга материала, которые при взаимном наложении-сопоставлении дают весьма четкий и контрастный снимок того, насколько любопытная ныне ситуация сложилась в теоретической физике.

Обе статьи посвящены особо важной для науки проблеме – так называемой «квантовой гравитации» (КГ). То есть гипотетической будущей теории, которая сумеет-таки, наконец, объединить без противоречий и ко всеобщему удовлетворению две самые респектабельные, но упорно не стыкующиеся научные картины мира – квантовую физику частиц и ОТО, общую теорию относительности макрокосмоса.

В принципе, отчетливый мистический компонент в каждом из этих свежих материалов вполне позволяет органично вплести их в канву сериала Sci-Myst (тем более, что имена действующих лиц уже не раз в расследовании всплывали). Но с другой стороны, эти же ученые фигурируют и в параллельном цикле «Женщины, Эйнштейн и Голография» – который в силу собственных причин вдруг притормозился перед финалом и давно ждет своего завершения.

И коль скоро именно теперь причины задержки с окончанием ЖЭГ стали ясны (но интриги ради раскрыты быть не могут – для большей эффектности скорого финала), имеет смысл нынешний рассказ опубликовать самостоятельно – не включая его ни в тот, ни в другой из сериалов. А кроме того, еще и разбив на две отдельные части. Под общим заголовком «Догмы и Ереси» (в науке как религии). Ибо есть сильное подозрение, что тут зарождается еще один тематический цикл.

Короче говоря, часть первая этой истории – что понятно уже из названия – посвящена наименее интересной, но от этого ничуть не менее значимой стороне науки, неофициально известной как догматические основы. Или иначе, комплекс базовых идей, строго не доказанных, но представляющихся большинству бесспорно верными. При этом среди догм полно идей не только в корне ошибочных, но и надежно опровергнутых экспериментами.

Отчего и очень важно напоминать сей странный научный факт как можно чаще.

#

Автором первой публикации – статьи-эталона, можно сказать – является ученая дама-теоретик, профессионально занимающаяся проблемами объединения ОТО и квантовой физики, а потому и наиболее компетентно, казалось бы, способная рассказать интересующимся «Зачем квантовать гравитацию?» (Why Quantize Gravity? By Sabine Hossenfelder, NOVA PBS Online, 24 Feb 2016)

Крайне сомнительно, что именно в этом заключалось намерение автора, но в действительности ее статья очень наглядно и доступно объясняет не столько «Зачем квантовать», сколько «Почему эта задача никак не решается» – несмотря на более чем 80-летний период ее разработки умнейшими людьми теоретической физики. Так что обычно почтительный эпитет «эталон» употреблен здесь скорее в грустно-диагностическом ключе, констатирующем типичный случай всеобщей напасти.

Чтобы стало понятнее, о чем конкретно говорит тут Хоссенфельдер и по какой причине ее «объяснения» на самом деле являются ярчайшей иллюстрацией причин застоя в теоретической науке, лучше всего обратиться к прямому цитированию оригинала. С последующими комментариями, ясное дело.

Теория гравитация и квантовая механика были разработаны и за последнее столетие подтверждены по отдельности в бесчисленных экспериментах. Но когда их применяют вместе – они порождают нонсенс и чепуху.

Мы знаем, что способ объединения должен быть: вот только суметь бы его найти.

Рассмотрим эксперимент с двойной щелью. В квантовой механике электрон способен проходить через две щели сразу, порождая паттерн волноподобной интерференции на экране детектора. Однако электрон не является ни волной, ни частицей. Вместо этого он описывается волновой функцией – эдакое промежуточное математическое состояние между волной и частицей – что и позволяет ему действовать то как частица в одних ситуациях, то как волна в других ситуациях.

Электрон, таким образом, способен существовать в квантовой суперпозиции: он может быть в двух разных местах сразу и проходить через обе щели экрана – через правую и левую. Он остается в состоянии суперпозиции до тех пор, пока измерение не заставит его «решить» и выбрать лишь одно местоположение. Это поведение электрона, сколь бы контр-интуитивным оно ни выглядело, было протестировано в экспериментах и многократно проверялось снова и снова.

Странно или нет – но мы знаем, что это действительно так. И поначалу теоретики думали, что встроить гравитацию в эту квантовую картину будет просто…

Ну а в итоге, как объясняет далее Хоссенфельдер, стало ясно, что на самом деле ничего хорошего тут не получается – ни через простые-стандартные подходы, ни через какие-либо другие. Но ученые все равно пытаются снова и снова, уверенные, что решение должно быть…

Самое грустное в этом рассказе то, что на самом деле гравитацию для её объединения с квантовой физикой вовсе не требуется вписывать именно в ту картину, которую чуть выше нам описала прямая цитата из статьи специалиста. По той простой причине, что картина эта в корне ошибочная.

И именно здесь мы имеем дело с ситуацией «ложная догма в основах». Опровергнуть её может кто угодно – в условиях недорогих и уверенно воспроизводимых опытов. Во множестве лабораторий мира за последний десяток лет это сделано уже неоднократно, так что сам факт опровержения никаких сомнений не вызывает.

Вот только догма по сию пору так и остается непоколебимой. Для науки это должно быть крайне странно. А вот для религии – совершенно обычное дело…

#

Дабы всем стало ясно и понятно, почему картина двухщелевой интерференции квантовых частиц, в своей достоверности не вызывающая у физиков абсолютно никаких сомнений, теперь вдруг оборачивается «ошибочной догмой», требуется сделать несколько важных уточнений.

Сам факт феномена является совершенно бесспорным. Однако то, что именно данный опыт теоретики объявили «сутью и квинтэссенцией» непостижимой и контр-интуитивной природы квантовой физики – вот эта идея является в корне ложной. И ныне абсолютно надежно опровергнутой.

На рубеже 1990-2000-х годов, когда физики-экспериментаторы в вибрирующих гранулированных и жидких средах обнаружили два близко связанных феномена под названиями осциллон и «прыгающая капля», попутно открылись и совершенно неожиданные связи-мосты между физикой квантовой и физикой классической.

Иначе говоря, вдруг выяснилось, что почти каждый из физических феноменов, на протяжении всего XX века считавшихся сугубо квантовыми и «непостижимыми», на самом деле прекрасно и наглядно воспроизводится в рамках несложных гидродинамических экспериментов. Надо лишь наполнить ванну-контейнер правильно подобранной жидкостью или гранулятом, а затем привести систему в состояние вертикальных вибраций с правильно подстроенной частотой и амплитудой…

Ну а далее, как только на поверхности среды удается воспроизвести устойчивый феномен прыгающей капли-«ходока», становится возможным наглядно демонстрировать и всяческие чудеса «квантового мира» – вроде знаменитой двухщелевой интерференции, квантования орбит, туннельных переходов и тому подобных «контр-интуитивных» трюков. С массой подробностей обо всех этих вещах рассказывается в материале «Квантовая физика как она есть».

Здесь же достаточно выделить лишь основную суть всей этой очень наглядной и внятной физики, которая заключается вот в чем. Когда капля определенной жидкости при определенных условиях вибрации не растворяется, а стабильно прыгает на поверхности, порождая расходящиеся круги волн, то она становится аналогом «квантового объекта». Такого объекта, который не только объединяет в себе свойства частицы и волны, но и естественным образом воспроизводит, как выяснилось, физику почти всех квантовых эффектов.

Почти, но не всех. За пределами наглядной демонстрации «в ванне» – как ни стараются экспериментаторы – упорно остается самый загадочный феномен микромира, носящий названия «квантовая сцепленность» или «квантовая нелокальность» взаимодействий.

Суть феномена, если в двух словах, заключается в том, что две частицы, поначалу составлявшие одну систему, продолжают каким-то образом оставаться неразрывно сцепленными и впредь – даже если их разнести на сколь угодно большое расстояние. И если измерением потревожить состояние одной из частиц, то другая часть пары, как свидетельствуют опыты квантовой физики, реагирует на это мгновенно – хотя и абсолютно неясно, посредством какого механизма…

Не так уж сложно, наверное, сообразить, что именно здесь скрываются какие-то очень глубокие и странные особенности в геометрии нашего мира – коль скоро они явно и бесспорно позволяют мгновенно взаимодействовать частицам, находящимся на сколь угодно гигантских дистанциях друг от друга.

И если подумать еще чуть-чуть, сопоставив уже известные факты, то можно заметить вот какую штуку. По сути дела все прежде «непостижимые феномены» квантовой физики ныне красиво и наглядно продемонстрированы в гидродинамических опытах физики классической. За исключением одного совсем уж странного феномена, квантовой сцепленности, где очевидно проступает особенность скрытой геометрии нашего мира. Но ведь именно геометрия пространства, как надежно свидетельствует ОТО, и является основой феномена гравитации, также известного как «сила тяготения»…

Иначе говоря, именно вот здесь – в постижении геометрического механизма квантовой сцепленности – и было бы наиболее логично искать ключ. То есть сосредоточить усилия теоретиков для успешного объединения квантовой механики и ОТО в единую теорию квантовой гравитации. И оставить в покое уже, наконец, вполне постигнутую загадку двухщелевой интерференции, на которую по давней традиции в очередной раз напирает в своей статье Сабина Хоссенфельдер. Ни словом, кстати говоря, не упомянувшая в рассказе про квантовую сцепленность или квантовую нелокальность. Про «квантовые феномены» прыгающей капли там, естественно, нет ничего тем более…

В этом-то, собственно, и заключается беда догматизма современной науки.

#

Чем же все-таки хороши статьи Хоссенфельдер, так это тем, что в них практически всегда – даже в нынешней-грустной «Зачем квантовать гравитацию?» – удается обнаружить и нечто действительно содержательное. Если читать внимательно. Ибо умный и компетентный автор-специалист всегда знает о предмете несравнимо больше, нежели заинтересованный читатель-дилетант. Догматически они подаются или нет, знания, тем не менее, всегда имеют собственную ценность.

Конкретно в данном случае – среди трех финальных ссылок автора на дополнительную информацию по теме – указана статья когда-то советского, а теперь уже давно американского историка науки Геннадия Горелика на веб-сайте журнала Scientific American: «Почему такие трудности с квантовой гравитацией? И почему Сталин казнил человека, который среди первых занялся этим предметом?» (Why Is Quantum Gravity So Hard? By Gennady Gorelik, Sci Am blog network, July 14, 2011).

Статья эта посвящена Матвею «Мите» Бронштейну (1906-1938), чрезвычайно одаренному и разностороннему физику-теоретику, которого судьба бросила в жернова сталинских репрессий совсем еще молодым человеком. Бронштейна арестовали летом 1937, а уже в начале 1938 тайно расстреляли, когда ученому еще не исполнилось и 32 лет. Светила советской науки, писавшие Сталину и в инстанции письма о необходимости срочно освободить талантливейшего человека, арестованного явно по недоразумению и якобы отправленного в лагеря «на 10 лет без права переписки», лишь много позже (как и все остальные сограждане) смогут узнать, что на самом деле означал этот фатальный приговор.

Несмотря на громкое название статьи Горелика, после ее прочтения вряд ли станет понятно «Почему Сталин казнил Бронштейна». Сталин и его опричники убивали сотни тысяч, миллионы советских людей, причем уничтожались, как правило, наиболее заметные, компетентные, способные мыслить самостоятельно. От столь трагической и массовой потери цвета нации, от посеянного во всех остальных людях жуткого страха наша страна, похоже, не сумела оправиться и по сию пору.

Ну а мировая наука, в свою очередь, в лице Матвея Бронштейна понесла великую потерю, наиболее адекватно сравнимую, пожалуй, со столь же безвременной потерей гениального итальянского теоретика Этторе Майораны. На это примечательное историческое совпадение сегодня мало кто обращает внимание, но факты таковы, что Бронштейн и Майорана как пришли в этот мир по сути одновременно, в 1906 году, так и исчезли в один и тот же 1938 год.

Однако если гений Майораны, хотя и с сильным запозданием, но на сегодняшний день давно уже общепризнан, то имя Матвея Бронштейна остается малоизвестным не только среди обычных сограждан, далеких от физики, но и в профессиональном научном сообществе. Хотя именно Бронштейн был одним из тех самых первопроходцев науки, кто не только всерьез заинтересовался квантовой гравитацией в 1935 году (когда тема эта была неинтересна практически для всех), но и уже тогда сразу указал на принципиальные проблемы, препятствующие объединению квантовой механики и ОТО.

Хотя в ту пору это было совершенно не очевидно для таких гигантов, как, скажем, Гейзенберг и Паули, Матвей Бронштейн увидел и продемонстрировал, что в ситуации, когда важны и квантовые, и гравитационные эффекты, имеющиеся теории ведут к противоречию и требуют радикальной перестройки фундаментальных основ. Конкретные формы этой перестройки сразу оценить было сложно, однако Бронштейн уже видел, что физикам, вероятно, придется отказаться от обычных представлений о пространстве и времени, заменив их на какие-то новые, гораздо более глубокие и неожиданные концепции…

Основой же для этих новых взглядов, насколько можно понять по публикациям теоретика того периода, Бронштейн выдвигал идею «единства физической картины», развернуто изложенную, к примеру, в его статье 1933 года «К вопросу о возможной теории мира как целого». Для краткой и ёмкой характеристики его концепции можно, в частности, процитировать такие моменты:

«Будущая физика не удержит того странного и неудовлетворительного деления, которое сделало квантовую теорию «микро-физикой» и подчинило ей атомные явления, а релятивистскую теорию тяготения «макро-физикой», управляющей не отдельными атомами, а лишь макроскопическими телами. Физика не будет делиться на микроскопическую и космическую; она должна стать и станет единой и нераздельной»…

Вполне отчетливо это понималось, надо напомнить, уже свыше 80 лет тому назад. Однако до сих пор никто из теоретиков так и не сумел постичь и продемонстрировать, каким же именно образом можно было бы сделать физику «единой и нераздельной».

Совсем свежая публикация, правда, рассказывает об одной новой и весьма любопытной идее КГ, выдвинутой не просто известным, а очень знаменитым ученым. Но пока что данная идея звучит для коллег как полная ересь. А потому именно об этом и будет вторая половина рассказа.

(Продолжение следует)

Дополнительное чтение:

Давняя книга из времен советской перестройки, когда делались попытки возродить память о невинно убитых и несправедливо забытых: Горелик Г. Е., Френкель В. Я. «Матвей Петрович Бронштейн: 1906—1938». (Научно-биографическая серия), Москва: Наука, 1990.

Перевод той же книги на английский, с добавлением нескольких глав в финале: Gennady E. Gorelik, Victor Ya. Frenkel, «Matvei Petrovich Bronstein and Soviet Theoretical Physics in the Thirties». Springer Basel AG, 1994

«Квантовая физика как она есть»: о несложных и наглядных опытах, в хлам опровергающих устоявшиеся догмы квантовой физики, но при этом как бы не замечаемых многими теоретиками.

«Сюрпризы квантовой топологии»: материал с содержательной частью, посвященной наследию Этторе Майораны и его особой актуальности, как выяснилось, для прогресса в квантовой информатике.

#