Роджер Пенроуз, лауреат Нобелевской премии по физике 2020 года, известен своим умением мыслить за пределами общепринятых шаблонов. В интервью для Perimeter Institute ученый рассуждает о визуальной природе математики, фундаментальных изъянах квантовой механики и своей теории циклической Вселенной, которая бросает вызов концепции инфляции.
👁️ Визуальное мышление и сила воображения 0:40
Для Роджера Пенроуза путь в большую науку начался не с формул, а с прямого визуального опыта. Одним из самых ярких воспоминаний детства он называет момент, когда отец показал ему Сатурн через длинный латунный телескоп . По словам ученого, увидеть планету своими глазами, а не на картинке в книге, было потрясающим опытом, подтверждающим реальность окружающего мира .
Пенроуз подчеркивает, что всегда был «визуальным человеком». Это создало определенные трудности во время обучения в университете:
- Разрыв в восприятии: Математик был удивлен тем, насколько мало его коллеги используют визуальные образы .
- Стигма «картинок»: В академической среде считается нормальным использовать много иллюстраций в научно-популярных лекциях, но в серьезных курсах математики это часто воспринимается как нечто лишнее или упрощенное .
- Диаграммы вместо уравнений: Пенроуз разработал собственную систему графического представления тензорных уравнений. Вместо манипуляций с огромным количеством буквенных индексов он использует пиктограммы, соединенные линиями . По его мнению, такая конфигурация линий позволяет гораздо легче понять суть происходящего, чем отслеживание совпадений букв в формулах .
Говоря о любимых формах, ученый выделяет «параллели Клиффорда» в четырехмерном пространстве . Это сложная конфигурация окружностей на четырехмерной сфере, которые сцепляются друг с другом в симметричный узор. При проекции в трехмерное пространство они создают интригующие геометрические фигуры .
🧪 Кризис квантовой механики: кот Шрёдингера и проблема измерения 6:00
Несмотря на колоссальный успех квантовой механики, Пенроуз относится к ней скептически, считая теорию внутренне противоречивой . Он указывает на фундаментальный конфликт между двумя аспектами теории:
- Уравнение Шрёдингера: Оно описывает непрерывную эволюцию квантового состояния во времени .
- Процесс измерения: В момент измерения происходит нечто, что это уравнение не описывает.
Пенроуз напоминает, что сам Эрвин Шрёдингер придумал знаменитый пример с котом (который одновременно жив и мертв), чтобы показать абсурдность буквального применения его уравнения к макромиру . По мнению лауреата, это доказывает, что уравнение Шрёдингера не является полным описанием реальности .
Ученый критикует существующие интерпретации:
- Многомировая интерпретация: Идея о том, что при каждом измерении Вселенная расщепляется, и существуют две версии наблюдателя (один видит живого кота, другой — мертвого), кажется Пенроузу неудовлетворительной, так как она не соответствует нашему реальному опыту .
- Позиция автора: Пенроуз утверждает, что квантовая механика «не совсем верна» и нуждается в серьезной модификации . По его мнению, правила игры должны измениться при объединении квантовой механики с общей теорией относительности Эйнштейна, что приведет к пониманию того, почему макроскопические объекты (например, бейсбольный мяч) не могут находиться в двух местах одновременно .
🌌 Циклическая Вселенная против инфляционной модели 10:21
Пенроуз открыто выступает против общепринятой космологической модели инфляции. Теория инфляции предполагает, что в первые мгновения после Большого взрыва ($10^{-32}$ секунды) Вселенная испытала колоссальное по масштабам расширение .
По мнению Пенроуза, инфляционная модель требует слишком много «подгонок», чтобы работать . Вместо этого он предлагает собственную концепцию — Конформную циклическую космологию (CCC) :
- Жизнь до Большого взрыва: Пенроуз считает, что Большой взрыв не был началом всего, а лишь переходом от предыдущей эпохи (эона) к нынешней .
- Испарение черных дыр: В очень далеком будущем Вселенная продолжит расширяться, пока не останутся только черные дыры. Через невообразимое количество лет (гугол лет или более) они испарятся благодаря излучению Хокинга .
- Потеря масштаба: Когда во Вселенной останутся только безмассовые частицы (фотоны), Вселенная «забудет», насколько она велика. В этот момент крайне разреженное состояние будущего физически становится эквивалентным сверхплотному состоянию нового Большого взрыва .
В качестве доказательства своей теории Пенроуз приводит «точки Хокинга» . Это области в реликтовом излучении, оставшиеся от испарившихся черных дыр предыдущего эона. По словам ученого, эти пятна, имеющие диаметр примерно в восемь раз больше видимого диска Луны, реально наблюдаются на картах спутников Planck и WMAP . Он утверждает, что стандартная инфляционная модель не может объяснить появление таких локализованных структур .
🌀 Теория твисторов: новый взгляд на пространство-время 20:58
На протяжении десятилетий Пенроуз развивает «теорию твисторов» — альтернативный математический фундамент физики. Его основные тезисы:
- Отказ от точек: Традиционно физика считает базовым элементом пространство-время, состоящее из точек. Пенроуз предлагает считать фундаментальными не точки, а «световые лучи» (траектории безмассовых частиц) .
- Вторичность пространства-времени: В этой картине привычное нам пространство-время является производной структурой, выводимой из пространства твисторов .
- Связь с вращением: Название «твистор» происходит от английского twist (скручивание), так как в этой теории учитывается спин и угловой момент фотонов .
Хотя теория твисторов долгое время считалась чисто математическим упражнением, Пенроуз отмечает её растущую актуальность при расчетах рассеяния частиц высоких энергий .
🧪 Экспериментальная проверка и советы молодым ученым 24:16
Пенроуз убежден, что любая теория бессмысленна, если она не ведет к проверяемым предсказаниям . В настоящее время он сотрудничает с Иветт Фуэнтес из Ноттингемского университета . Её группа работает с конденсатами Бозе — Эйнштейна (макроскопическими квантовыми объектами при сверхнизких температурах), чтобы попытаться зафиксировать момент коллапса волновой функции. Пенроуз надеется, что это поможет увидеть влияние гравитации на квантовые процессы .
В завершение беседы Нобелевский лауреат дал совет тем, кто только начинает путь в науке:
- Ищите красоту: Занимайтесь тем, что кажется вам по-настоящему захватывающим и красивым .
- Будьте индивидуальны: Не следуйте общим советам слепо, так как каждый человек мыслит по-своему .
- Внимание к странностям: Уделяйте внимание «странным» вещам в физике, которые при этом подтверждаются экспериментально — именно там скрыты самые интересные открытия .
