Взгляд со стороны. Естествознание и религия

Во-первых 'т Хоофт продемонстрировал, что вся информация, содержащаяся в некоторой произвольной области пространства, может быть представлена в виде голограммы и располагаться на границе этой области. Применительно ко всей Вселенной, если перевести данную концепцию на общепонятный язык, весь наш мир и мы сами – не что иное, как двухмерная голограмма.

Во-вторых, структуру пространства-времени следует считать состоящей из элементарных неделимых единиц, с линейным размером в планковскую длину. Дискретность пространства не позволяет беспредельно увеличивать масштаб изображения Вселенной, что накладывает ограничения на её изучение. При достижении планковского значения масштаба голографическая Вселенная станет похожей на цифровое изображение плохого качества.

Американский физик, профессор Тель-Авивского и Стэнфордского университетов Леонард Зюскинд развил голографический принцип 'т Хоофта и показал, что конечная информационная ёмкость (энтропия) любой системы зависит не от её объёма, а от площади поверхности, ограничивающей эту систему. Максимальное информационное содержание любой области пространства определяется не её объёмом, а площадью поверхности, ограничивающей объём. На бытовом уровне это примерно соответствует утверждению, что всю без исключения информацию о том, что находится в комнате, включая и людей, можно расположить на её внешней поверхности – потолке, стенах и полу.

Экстравагантные идеи 'т Хоофта вначале большинство физиков не воспринимали всерьёз. Но поскольку концепция голографического принципа применима к пространству-времени любой размерности, она оказалась чрезвычайно удобной для теории струн. Исследования в разных областях физики также показали, что идея Вселенной как голограммы имеет определённый смысл.

В 1997 г. физик-теоретик Хуан Малдасена сформулировал гипотезу голографической дуальности или AdS/CFT-соответствие, которое в последствии было многократно и различными способами проверено.

AdS означает «антидесситоровское пространство» – частное решение уравнений Эйнштейна, описывающее абсолютно пустую Вселенную с отрицательной кривизной пространства. В такой Вселенной нет вещества и энергии, а параллельные линии расходятся. Другой стороной этого соответствия является система, известная как конформная теория поля (conformal field theory, CFT). Это квантовая теория поля, инвариантная (неизменная) относительно конформных преобразований – непрерывного отображения из одного пространства в другое, сохраняющего углы между кривыми, следовательно, и форму бесконечно малых фигур.

AdS/CFT-соответствие показывает, что при определённых условиях теория струн эквивалентна квантовой теории поля без гравитации и в меньшем количестве измерений. Используя голографический приём, AdS/CFT-соответствие позволяет исключить гравитацию и упростить невероятно сложный математический аппарат струнной теории. Решив определённые задачи, можно попытаться перенести полученный результат в трёхмерную Вселенную и таким образом получить один из возможных способов разрешения проблемы квантовой гравитации.

Но при переходе от антидеситтеровской Вселенной к более простой пограничной модели, где применима конформная теория поля, новые уравнения разрешимы только в принципе. Они могут остаться такими же безмерно сложными для решения. К тому же мы не живём во Вселенной с антидесситоровским пространством. В реальной Вселенной космологический горизонт постоянно изменяется, и как голографический принцип можно совместить с расширяющейся Вселенной – непонятно[89 - Naked Science: Живём ли мы в голограмме, 08.01.2019. https://naked-science.ru/article/nakedscience/zhivem-li-my-v-gologramme.].

Несмотря на это, AdS/CFT-соответствие работает, почему – никто не знает. Поскольку реализация голографического принципа в AdS/CFT-соответствии вселяет оптимизм в возможность объединения гравитации и квантовой механики, многие теоретики приходят к мысли, что для создания теории всего необходимо пересмотреть взгляды на природу в информационном направлении.

Всемирно известный физик-теоретик Джон Уилер был уверен: информация – это всё. Объекты вторичны, это носители абстрактной и фундаментальной сущности – информации, вещество и излучение – материальные проявления чего-то более фундаментального. В 1990 г. учёный высказал предположение, что информация является фундаментальной концепцией физики. Согласно его доктрине it from bit, все физические сущности являются информационно-теоретическими в своей основе[90 - Щербаков Р. Джон Уилер: смелый консерватизм в науке – Природа, 2018, № 12. https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435056/Dzhon_Uiler_cmelyy_konservatizm_v_nauke.].

Не так давно голографическая идея нашла экспериментальное подтверждение. Анффани Чен и его коллеги из учреждений Канады, Израиля, Великобритании и США опубликовали в журнале Physical Review Letters доклад о квантовой графеновой голограмме. В работе сообщается, что электроны в наноразмерной чешуйке графена с неправильными гранями в магнитном поле смогли создать так называемую модель Сачдева – Йе – Китаева (SYK). Эта модель иллюстрирует тип голографической двойственности, в которой высокоразмерная система может быть представлена низкоразмерной системой[91 - Naked Science: Предложено голографическое изображение чёрной дыры в графеновой чешуйке, 26.07.2018. https://naked-science.ru/article/sci/predlozheno-golograficheskoe.].

Американский физик, один из создателей теории струн Леонард Сасскинд в книге «Битва при чёрной дыре. Моё сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики», утверждает: «…всё в нашем мире – эта книга, ваш дом, вы сами – лишь своеобразная голограмма, проецирующаяся с краёв Вселенной».

Первым к идее голографической модели Вселенной пришёл американский физик-теоретик Дэвид Бом. В 1959 г. по рекомендации своей жены Сарэл Дэвид прочёл книгу индийского философа и духовного учителя Джидду Кришнамурти и был поражён многочисленными параллелями между своими взглядами на квантовую механику и философскими идеями Кришнамурти. Впоследствии, объясняя свои представления о физике, Дэвид Бом ссылался на индуизм или китайский даосизм.

В начале 70-х он выдвинул теорию, согласно которой Вселенная всего лишь большая иллюзия, подобная объёмному голографическому изображению. В представлении Дэвида Бома Космос – бесконечная волновая конструкция, где всё находится во взаимосвязи, где бытие и небытие, дух и материя – лишь различные проявления единого источника света, благодаря которому изображение становится объёмным.

Как известно, законы квантовой механики не допускают уничтожения информации при разрушении материальных объектов. Попытаемся проанализировать, всегда ли выполняются эти законы. Учитывая знаменитое булгаковское изречение «Рукописи не горят», превратим в пепел книгу с романом «Мастер и Маргарита» и рассмотрим, имеется ли возможность восстановить оригинал книги.

Профессор теоретической физики и математики, специалист по квантовой теории поля и квантовой гравитации Хироси Огури по вопросу о возможности восстановления уничтоженной огнём книги заявил следующее: «Вы можете решить, что информация потеряна, но если у вас достаточно приборов и вычислительной техники и вы можете измерить все параметры огня, проанализировать пепел, а также прибегнуть к услугам "демона Максвелла" (или в этом случае "демона Лапласа"), то вы сможете воспроизвести оригинальное состояние книги».

Отметим, что услуги демона Лапласа вступают в противоречие с методологическим принципом, известным как бритва Оккама, согласно которому не следует без крайней необходимости привлекать новые сущности.

Согласно второму началу термодинамики, при возрастании энтропии процессы, происходящие с макроскопическими телами, становятся необратимыми, и тела безвозвратно разрушаются. При этом информация, которую они хранили, уничтожается или в более мягком выражении, растворяется во Вселенной.

Принимая во внимание, что второе начало – это статистическое утверждение, гипотетически можно предположить, что в результате неограниченно долгого времени сожжённая книга сможет самособраться, в том числе вместе с её автором. Физические законы не выделяют направление времени и не запрещают такую самосборку. Закон сохранения энергии также не препятствует этому. Запрещает самопроизвольное восстановление разрушенных материальных тел необратимость во времени всех реально происходящих физических процессов.

Особенностью понятия энтропии является то, что она строго может быть введена только для большого числа частиц, иначе – для макроскопических объектов. Чтобы узнать, существует ли граница между микро- и макромиром, ниже которой необратимости не существует, Роберто Серра из Федерального университета ABC в Бразилии и его коллеги измерили производство энтропии в микроскопической квантовой системе, представляющей собой спин ядра углерода-13.

Образец с хлороформом, содержащий ядра углерода-13, помещали в сильное магнитное поле и охлаждали до сверхнизких температур. Используя явления магнитного ядерного резонанса, импульсами различной продолжительности исследователи поворачивали спины ядер.

На квантовую систему посылались два импульса, причём второй импульс был точной копией первого, но обращённый во времени. Он должен был вернуть систему в первоначальное состояние. Как оказалось, при посылке импульсов порядка 100 микросекунд спины в начальное положение не возвращаются, что указывало на производство энтропии и на необратимость процесса во времени. Опубликованная работа стала первым прямым экспериментальным подтверждением, что возникновение стрелы времени наблюдается и на квантовом уровне[92 - Коржиманов А. Необратимость времени увидели на квантовом уровне, 12.11.2015. https://nplus1.ru/news/2015/11/12/moreentropy.].

Неизвестно, указывает ли стрела времени на возможность потери квантовой информации, однако не вызывает никакого сомнения, что в природе существует принцип, запрещающий реальное перемещение во времени из настоящего в прошлое, вне зависимости от того, допускают это физические законы или нет. Необратимость процессов, в том числе и на квантовом уровне, лишает демона Лапласа шансов изменить направление движения времени из будущего назад в прошлое.

Рассмотрим некоторые свойства квантовых объектов, особенности которых также могут помешать восстановлению оригинала булгаковского произведения.

Известно, что при регистрации электрона любыми счётчиками он ведёт себя как частица, но при отражении электронного пучка от поверхности кристалла наблюдаются типично волновые явления. Дифракция электронов на кристаллической решётке впервые была экспериментально доказана в 1927 г. американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером (опыт Дэвиссона – Джермера), а также независимо английским физиком Джорджем Томсоном.

Электрон по своей природе в состоянии двигаться сразу по всем траекториям, и для него отсутствует такое понятие, как координаты в пространстве. Форма частицы, траектория движения и координаты – концепция классической физики. Она чужда квантовой теории, и в классическом смысле данные понятия могут быть применимы в квантовой механике только с ограничениями.

В соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга положение электрона в пространстве и его скорость движения одновременно точно определить невозможно. Нет у электрона и определённых размеров, электроны занимают в пространстве нечёткую область вероятности. Всё это указывает на то, что мы не можем воспринимать эти частицы как конкретные объекты, имеющие форму, и проследить их параметры движения.

Согласно квантово-механическим представлениям, электроны в атомах расположены в наиболее вероятных областях их нахождения – на атомных орбиталях. За счёт притяжения электронов к ядрам атомов образуются химические связи, определяющие химические свойства веществ. В физическом понимании каждая атомная орбиталь – это одноэлектронная волновая функция, полученная решением уравнения Шрёдингера для данного атома. Она описывается собственным набором квантовых чисел. Разрушив химические связи, мы разрушаем не только вещество, но и все его свойства.

Атомы, как и электроны, не имеют определённого внешнего вида или формы. Конкретную форму обретают взаимодействующие атомы за счёт химических связей, обуславливающих устойчивость молекулы или кристалла как целого[93 - Lockett W. Have We Got Atoms All Wrong? 15.10.2020. https://medium.com/predict/have-we-got-atoms-all-wrong-e7778e4c255c.].

По современным представлениям, химическая связь между атомами имеет электростатическую природу и происходит за счёт обмена электрона и протона виртуальными фотонами. Описание химической связи проводится в квантовой химии на основе квантовой механики.

Предположим, что у нас есть набор разнообразных атомов, и нам нужно из них собрать сложное химическое вещество с заданными химическими свойствами. Но мы не знаем его код происхождения (химическую формулу и правила образования химических связей). Самое скрупулёзное обследование атомов, в том числе входящих в требуемое вещество, не даст нам информации о том, из каких конкретно атомов оно может быть образовано.

При сгорании книги появились новые химические соединения. Закон постоянства состава вещества не позволяет отличить оригинальное химическое соединение от соединений такого же химического состава, но образованных другими способами. Если в процессе горения образовался водяной пар, он будет обладать в точности такими же свойствами, как и другие водяные пары, и идентифицировать его будет невозможно.

Закон постоянства состава вещества – один из главных законов химии. Согласно этому закону, открытому французским химиком Жозефом Прустом в 1806 г., одно и то же вещество можно получить различными способами. При этом любое вещество, независимо от способа его получения, будет иметь постоянный качественный и количественный состав. Закон постоянства состава учёный сформулировал в следующем виде: «Всегда неизменные отношения, эти постоянные признаки, характеризующее истинные соединения, как искусственно полученные, так и природные; одним словом, это постоянство природы (pondus naturae), так хорошо виденное Шталем, всё это, я утверждаю, подвластно химику не более, чем закон избирательности, который управляет всеми реакциями соединения»[94 - Фукс Г., Хайниг К., Кертшер Г. и др. Биографии великих химиков: Пер. с нем. – М.: Мир, 1981. http://chemlib.ru/books/item/f00/s00/z0000042/index.shtml.].

Аналогичный закон (принцип тождественности) существует и в квантовом мире. Состояния квантовой системы, полученные друг из друга перестановкой одинаковых частиц местами, квантовая теория рассматривает как одно состояние. Следуя принципу тождественности, невозможно отличить одну от другой одинаковые частицы.

Не проще восстановить роман «Мастер и Маргарита», записанный на магнитном носителе жёсткого диска компьютера. Магнитные эффекты определяются свойствами электронов и в незначительной степени частицами ядер атомов. За счёт вращения электронов и движения их в атоме происходит намагничивание материалов. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов ферромагнитного вещества ориентированы беспорядочно, и создаваемые ими магнитные поля компенсируют друг друга. При наложении внешнего магнитного поля с расположенной на нём информацией атомы ориентируются магнитными моментами по направлению магнитных силовых линий этого поля, и в макроскопических областях магнитного кристалла (доменах) образуются зоны остаточной намагниченности. Они сохраняют информацию, полученную от внешнего магнитного поля. При размагничивании ферромагнитного вещества магнитный носитель на жёстком диске возвращается в исходное состояние, и никаких следов, указывающих, что на магнитном носителе хранилась информация, не остаётся.

Проследим, имеется ли реальная возможность восстановить из пепла и газов, оставшихся после сожжения книги, как минимум бумагу. Для простоты предположим, что бумага состоит только из целлюлозы – сложного органического соединения, имеющего в рассматриваемом примере формулу (C

H

O

)

. Здесь 10 000 – степень полимеризации, которая показывает, сколько элементарных звеньев содержится в молекуле полимера.

При сгорании целлюлозы образуется теплота, водяной пар и соединения углерода с кислородом. Проанализировав продукты сгорания целлюлозы, мы выясним, что они состоят из кислорода, водорода и углерода. Но это практически нам ничего не даёт. Мы должны знать код происхождения целлюлозы – её химическую формулу и молекулярное строение. Если нам это известно, в соответствии с законом постоянства состава вещества можно любым известным способам синтезировать необходимую нам целлюлозу, а из неё, применив соответствующие технологии, получить бумагу, аналогичную той, из которой была изготовлена книга.

По закону Жозефа Пруста, способность атомов и молекул связываться с другими атомами и молекулами при образовании нового соединения (сродство) – постоянство природы неподвластное химикам. Однако обратное утверждение, что определённому составу отвечает определённое соединение, неправильно. К примеру, диметиловый эфир и этиловый спирт имеют одинаковый качественный и количественный состав (С

Н

О), но это различные вещества, поскольку имеют разное строение. Углерод имеет около десятка аллотропных модификаций – простых веществ одного и того же химического элемента, самые известные из которых графит и алмаз.

Вопрос, откуда взялся графит и алмаз, порождает много споров, поскольку для их образования недостаточно одного углерода. Графит широко распространён в метаморфических породах, поэтому принято считать, что происхождение графита метаморфическое, а алмазов – магматическое. Но независимо от того, как образовались эти минералы, они всегда будут иметь присущие только им свойства.

Полностью разрушим какой-либо химический элемент, например химически чистую медь. Зная код происхождения меди и имея соответствующие технологии, мы сможем создать её одноатомные молекулы, представляющие собой систему из атомных ядер и электронов, и полностью восстановить разрушенный химический элемент. И если вся медь во Вселенной будет каким-либо образом уничтожена, при определённых условиях этот химический элемент сможет вновь образоваться по своему коду происхождения из присутствующих во Вселенной нуклонов и электронов. Закономерность и случайность примут одновременное участие в образовании данного химического элемента.

Учёные из Объединённого института геологии, геофизики и минералогии СО РАН в Новосибирске В. В. Параев, В. И. Молчанов и Э. А. Еганов, касаясь проблем происхождения и эволюции органического мира, отметили: «…код наследственности (проявляющийся как при воспроизводстве организмов, так и при кристаллизации минерального вещества), хотя и материален по сути, в то же время бестелесен: не существует вещественной структуры – носителя этого кода как природного объекта. Примером безвещественной передачи наследственных признаков служат законы кристаллизации. Что собой представляет, скажем, наследственный код кварца? Независимо от исходного состояния (аморфный кремнезём, раствор, расплав, газовая фаза), он всегда – и сегодня, как и миллионы лет назад, обеспечивает образование форм, свойственных только кварцу»[95 - Параев В. В., Молчанов В. И., Еганов Э. А. Проблемы теории эволюции и её парадоксы. – Философия науки, 2008, № 1(36).].

Код происхождения не хранится в материальных структурах вещества – молекулах или атомах. Не хранится он и в частицах, из которых состоит атом. Даже незначительное изменение количества нуклонов и электронов в атоме превращают медь в другой химический элемент с совершенно непохожими на прежний металл свойствами.

Любой объект хранит информацию о своём происхождении, но это виртуальная информация. Некоторое представление о такой информации можно получить при исследовании искусственного объекта, например блока электронной аппаратуры, история создания которого в общих чертах понятна каждому, кто знаком с электротехникой.

Основой для построения электронного блока служит конструкторский документ – схема электрическая принципиальная. Она содержит фундаментальную информацию об изделии, иначе – хранит его код происхождения. Определённой принципиальной схеме соответствует конкретное изделие, обладающее только ему присущими характеристиками, независимо от того, где и как оно было собрано.