Причинность безусловна, но иногда - нет

Валерий Лебедев

Я сразу же после сообщения об эксперименте OPERA в Италии в 2013 г. о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино имел переписку на эту тему с акад. Александровым. Он недавно провел отменный эксперимент по проверке постоянства скорости света.
Краткое изложение этого опыта здесь
"Ещё раз о постоянстве скорости света"

http://elementy.ru/lib/431403

Эксперимент с самой высокой сегодня точностью показал это постоянство.

Евгений Борисович написал:

Разумеется, для профессиональных физиков нет никаких сомнений в ожидаемом результате. В этом смысле опыт бесполезен. Однако прямая демонстрация постоянства скорости света имеет большую дидактическую ценность, ограничивая почву для дальнейших спекуляций о недоказанности основ теории относительности.
Полностью статья (схема установки, методика и пр) в "УФН".
• Евгений Борисович вполне одобрил мою "крамолу", клонящуюся к тому, что вопрос о постоянстве скорости света вовсе не есть дело эксперимента. Это постоянство уже было постулировано в уравнениях Максвелла, уже там была введена константа скорости света с.
Этот теоретический постулат добавлен в СТО для процедуры синхронизации часов в мысленном эксперименте. Для того, чтобы устранить логические противоречия с причинностью.
Постоянство скорости света есть часть теории. Эйнштейн в двух своих статьях 1905 года (К электродинамике движущихся тел и «Зависит ли инерции тела от содержащейся в нем энергии» в них дана СТО) не ссылается на опыт Майкельсона–Морли, Пуанкаре об этом опыте, естественно, знал и он способствовал написанию группы Лоренца, а Эйнштейн даже не упоминает эти имена. На этот опыт ссылаются только ради дидактики, ради учебных целей, так как тогда легче принять теоретический постулат СТО: мол, опыт показал постоянство скорости света и ее независимость от движения источника света.
Итак, в Специальной теории относительности тоже постулируется постоянство скорости света. При этом не так уж важно, какова она в численном выражении. Тут важно лишь постоянство скорости света.
Фундаментальная константа с, возникающая в преобразованиях Лоренца, имеет смысл предельной скорости движения материальных тел. Численно она совпала со скоростью света.
Любая скорость больше скорости света (эти гипотетические частицы имеют общее название тахионы) невозможна вовсе не потому, что пока не открыли тахионы. Или вот, как одно время говорили, вроде бы уже открыли в виде сверхсветовых нейтрино – так писали в свое время об эксперименте OPERA. Выяснилось – ошибки измерения. И хорошо, ибо при сверхсветовых скоростях нарушался бы принцип причинности. То есть, следствие наступало бы раньше причины.
Чтобы это показать, нужно рассмотреть процедуру синхронизации часов в двух разных инерциальных системах. Физики это подтвердят, а не физикам нужно поверить на слово.
Принцип причинности настолько же фундаментален, как закон сохранения энергии. Невозможно себе представить мир, в котором бы он не действовал. Во всяком случае, в таком мире невозможны ни наука, ни человек. Ни даже его фантазии.
Я скажу более определенно: опыт по поиску сверхсветовых частиц некорректен. В принципе. И вообще такие опыты вполне можно не ставить. Как минимум сначала нужно придумать физику без принципа причинности. Этот принцип накладывает абсолютный запрет на такого рода эксперименты. Но это – в земных условиях. А как там со скоростью света во чреве черной дыры- кто его знает.
Любопытная вещь: авторитетная группа физиков США в свое время попросила закрыть ускоритель Теватрон (коллайдер Теватрон в Лаборатории имени Ферми с последующей его утилизацией. Этот призыв закрыть Теватрон был вызван экспериментом MINOS, который собирались проводить на Теватроне по схеме, совпадающей с OPERA (со сверхсветовым нейтрино). Часть физиков хотела проверить результат OPERA, переворачивающий основы физики. Да если бы только физики - всей науки. Однако, номер не прошел. Незачем тратить деньги на явную глупость. Это все равно, как проверять, а останется ли человек живым, если ему отсечь голову. Раньше никогда не оставался, но вдруг?!
В самой основе принципа причинности лежит, разумеется, практика, опыт. Но потом знание так сильно отрывается от первоистоков, что может получаться именно что перестановкой слов. Логикой. Операциями с математическими символами. И получают при этом феноменальные результаты: например, применив принцип причинности к анализу понятия "одновременность" в разных системах отсчета Эйнштейн получил вывод о предельности скорости света и невозможности сверхсветовых скоростей. А затем и формулу Е=MC2.
Конечно, человек все еще недостаточно доверяет своей логике (разуму) и потому периодически проверяет выводы теории в эксперименте. И каждый раз убеждается, что логика его не подвела. Что Е=MC2, что лучи света искривляются вблизи тяготеющих масс, что существуют нейтрино, что коллапс массивной звезды порождает черную дыру, что Вселенная нестационарна.
О так наз. «сверхсветовой скорости».
Чтобы было понятно: вы можете вращать лазерную указку и зайчик от нее будет бегать по небосводу с любой скоростью. Но это то явление, которое не передает сигнала, не несет информации. Это так наз. фазовая скорость. Вымышленная, фиктивная, виртуальная. Вы просто можете быстро перевести глаза с одной звезды на другую - между ними реально сотни световых лет, а вы переместились от одной до другой в мгновение ока. Увы, жители одной звезды ничего не узнают о жителях второй с помощью нашего вращения глазами и надувания щек. Наше пучеглазие и есть то же самое, что сверхсветовые скорости в квантовой механике.
Реальной же скоростью (передающий сигнал) является только так наз . групповая скорость. Стрела, ракета, пучок электронов, луч света. И выше скорости света нет - не позволяет принцип причинности. Если это невозможно понять, то нужно запомнить.
Теперь о законах сохранения. Ни один из законов сохранения, "на которых зиждется вся современная наука", не был получен "в результате тщательных исследований и экспериментов".
Ибо, например, для закона сохранения энергии нужно произвести бесконечное число экспериментов, чтобы методом индукции можно было сделать безусловный вывод: мы проверили все возможные взаимодействия, поэтому теперь провозглашаем закон "СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ".
А если не проверили все, то говорить подобное не имеем права. Ну, как если бы мы видели в разных местах белых лебедей и установили закон: ВСЕ лебеди - белые. А потом Миклухо-Маклай поехал в Австралию и открыл там черных лебедей. И накрылся наш закон ванной.
Точно также нельзя было из эксперимента открыть Второе начало термодинамики.
Во всех до сих пор наблюдаемых явлениях тепло самопроизвольно всегда переходило только от горячих тел к холодным. Квартира сама собой захламлялась. А молоко смешивалось с водой (если ее добавить в молоко). Но - кто знает, вдруг где-то все происходит наоборот и молоко само отделяется от воды, изобличая жуликоватого продавца. А мы везде-то не проверяли. Не посылали ревизию.
Это простые примеры. Но можно взять и более сложные. Например, принцип запрета Паули. Но и в названных случаях, и во всех прочих всегда закон не есть обобщение опыта. Он придумывается в голове ученого. Точно также, как роман сочиняется в голове писателя. Эддингтон сравнивал теорию с сетью, которую сплел ученый и потом забросил в мир. Все, что попало в сеть (это зависит от величины ячейки сети, то есть, от мощности теории), то и будет фактом науки.
Почему потом эксперименты подтверждают такую фантазию? А это как раз один из вопросов теории познания. Скажу разве, что придумка ученого должна быть не любой, а гениальной.
Точно также, как гениальный роман отличается от графомании. И эта придумка как раз и отличается от прочих выдумок тем, что таит в себе то самое "обобщение" и держит наготове прогностическую силу. То есть, предсказывает те явления, о которых ни в каком эксперименте ничего не было известно. Самый яркий пример - черные дыры. Или расширение Вселенной. Кстати сказать, в каких это экспериментах вы хотели бы получить черную дыру? Или расширить Вселенную?
И тут тоже есть сходство с литературой. Роман ведь дает нам знание "социально реальности" - не так ли? Ну вот, Гоголь вовсе не изучал народные типы в творческих командировках по Руси. Он жил в Италии, писал в Риме свои «Мертвые души. И придумал всяких Чичиковых, Маниловых, Собакевичей, Плюшкиных, Ноздревых... А потом оказалось, что все они есть в наличии. Впрочем, лучше Набокова об этом не скажешь.
При описании, изложении, при построении теории и пр. по нужде нужно с чего-то начинать. Например, с аксиом геометрии. В СТО постулативно вводятся постоянство скорости света и принцип относительности инерциальных систем.
А при построении теории Большого взрыва начинают с сингулярности (она постулируется), с особой точки, в которой радиус кривизны равен нулю (то есть - нет пространства), времени тоже нет, температура и плотность бесконечны. То есть все эти нули и бесконечности лежат за пределами физики. И даже за пределами философии, посему там как бы нет причинности, точнее она неизвестна. Ибо назвать причину взрыва сингулярности - это и значит ввести время и пространство, а их в сингулярности по определению нет.
Чем-то похоже на теорему Геделя о неполноте формальных систем. Для того, чтобы объяснить, обосновать аксиомы, нужно выходить на метауровень, в случае же с сингулярностью (причинностью, временем, пространством) выходить некуда - нет метауровня. Ну, разве что на волю Создателя.
Еще одна аналогия: дом опирается на фундамент. Фундамент - на скальную породу. Та - на мантию, та - на железное ядро Земли. А ядро? Ну, ни на что не опирается. Само по себе.
То есть, в сингулярности нужно было бы найти причину причины. А как? Это ведь исходный уровень. Ну, разве что сказать, что на то была воля Божья.
Так и скажем.
После своего рода панегирика принципу причинности, я потом написал акад. Александрову

Евгений Борисович, добрый день!

Вопрос у меня физико-философский. А именно: как увязан случайный процесс радиоактивного распада ядра, например, урана 235 с принципом причинности?
• Я посмотрел в русских учебниках, там написано, что вопрос причинности в применении к распаду "сложен". В англо-американских источниках говорится прямо об индетерминизме.
Дело в том, что какой именно атом распадется следующим объективно не известно. У них ведь там нет очереди на распад.
Итак, мы имеем две возможности:
1. Принять за факт, что есть область реальности, где не действует принцип причинности. Принять копенгагенскую интерпретацию, принять индетерминизм. Это тревожно. ибо причинность имеет тот же всеобщей статус, что и закон сохранения энергии. К тому же причинность связана со скоростью света как предельной величиной скорости передачи любого сигнала. Если где-то нет не причинно-следственных отношений, там можно предполагать и сверхсветовые скорости. Тогда - отказ от СТО, да и от ОТО. На это никто не пойдет.
2.Причина радиоактивного распада есть, но нам она пока неизвестна. Это не что иное, как гипотеза скрытых параметров, которая уже давно (эксперимент 2010) опровергнута теоремой Белла. Либо есть скрытые параметры - и тогда неверна квантовая механика, либо она верна - и тогда нет скрытых параметров. То есть принятие скрытых параметров грозит отказом от квантовой механики, на что тоже никто не пойдет.
В соответствующих статьях про радиоактивный распад понятие причинность вообще не упоминается. А в статьях о причинности нет про распад.
Возможно, в этом случае можно было бы апеллировать к вероятностной причинности, о которой говорят при редукции волнового пакета. Но там все же ситуация не совсем такая. Там мы говорим о вероятности попадания электрона на экран, ибо уравнение Шредингера работает именно с вероятностями (квадрат модуля волновой функции), но ведь сама причина движения электрона известна: он излучен катодом электронной пушки. Движение его вероятностно, но сам он имеет причину. А тут - нет причины, почему именно этот атом распался. Все же, думаю, вот эта вероятностная причинность может быть какой-то зацепкой.
•
Е. Б. Александров

Дорогой Валерий Петрович!

• Отвечаю по двум Вашим вопросам.1) Про радиоактивный распад. Я никогда не подходил к этим делам с такой стороны. Под этими делами я имею в виду всё семейство спонтанных распадов, начиная с возбуждённых атомов и молекул. Возбуждённый атом, будучи изолирован от внешних воздействий (например, путём помещения его в космическое пространство в условиях отсутствия столкновений), распадается с испусканием фотона - и тоже непонятно в какой момент, имеется только падающая во времени вероятность распада с фиксированной константой. При этом величина этой константы является "материальной"константой" данного перехода. Она, в принципе, вычисляется - для магнито-мультипольных переходов просто и точно, а для электрических мультипольных переходов с трудом (кроме атома водорода, для которого известна волновая функция), но всегда может быть измерена. Величина вероятности распада пропорциональна третьей степени энергии перехода и
имеет всегда верхний предел, но не имеет нижнего - существуют очень запрещённые переходы. К ним, в частности, относятся ядерные спонтанные переходы, которые и называются обычно радиоактивными распадами.
Квантовая электродинамика трактует спонтанные распады как вынужденные электромагнитные переходы под действием нулевых колебаний вакуума.
Когда я впервые задумался о физике спонтанного испускания, мой наставник П.П.Феофилов сказал мне - "будьте осторожны, на этих опросах многие свихнулись". С тех пор я поставил несколько фундаментальных экспериментов в этой области, но в конце концов перестал задумываться - всё равно ни черта не поймешь, как и во всей квантовой механике - она верна, но непостижима.
•
• Евгений Борисович, спасибо, понятно.
По поводу ваших слов:
я перестал задумываться - всё равно ничерта не поймешь, как и во всей квантовой механике - она верна, но непостижима.
Я дописал свои метафизические размышления (когда-то их излагал на лекциях в Физтехе аспирантам и они понимали и принимали)
Выглядеть это может так: причина существования ядра, скажем, урана есть: это взрыв сверхновой, когда при температурах в триллионы градусов идут все возможные реакции синтеза вплоть до трансурановых элементов. Ну, а то, что потом атом урана распадается неизвестно почему и когда, так это действует вероятностная причинность. Просто вводим такое понятие - вероятностная причинность вместо болезненного для нас индетерминизма. Вот мы с какой-то вероятностью можем предсказать этот распад именно у этого атома. А точно - не можем. Не потому, что не знаем, а потому что «сам атом не знает».
Похожее дело и с переходом электрона с одной оболочки на другую, при котором происходит излучение кванта энергии. Вопрос: с какой скоростью электрон перескакивает с одной оболочки на другую? Ответ - он мгновенно перескакивает. То есть - с бесконечной скоростью? Нет, просто понятие скорости к электрону в этот момент не применимо. Нет процесса перехода, и нет электрона между оболочками, а есть два состояния - первое и второе.
Да как же это ...Да вот так- ответит квантовик, так устроена природа в наших макропонятиях, только и доступным нам- и дело с концом: квантовая механика - она верна, но непостижима. Или, лучше сказать, непредставима.
•
• Эту фразу нужно пояснить. Все наши понятия, а не только причинность, взяты из нашего опыта, который имеет по необходимости примерно масштаб нашего тела, то есть макромасштаб. Когда мы полезли внутрь материи, мы там столкнулись с некими объектами, явлениями и законами, которые никак не влазили в этот макромасштаб. Что было делать? Пришлось описывать микрообъекты теми понятиями, которые есть. Вот и появился, к примеру, принцип дополнительности Бора, которые есть не что иное, как перевод явлений микромира на наш язык макропонятий. А именно: мы не можем описать суть движения микрообъекта напрямую, а только через один класс приборов, который дает нам координаты, а потом другой класс приборов, который дает нам сведения об импульсе(то есть скорости, энергии частицы).

Причем, чем точнее мы будем измерять координату, тем больше будет неопределенность импульса и наоборот. Этот же аспект дополнительности мы видим при описании микрообъекта как частицы, а в других опытах как волны. На самом же деле электрон не есть ни частица, ни волна, ни сразу они вместе, а нечто третье, для нас непредставимое, которое мы можем описать только в категориях нашего макроопыта - волна, частица , скорость, координата. Точно тот же характер имеет и причинность. Мы ее знаем по макроопыту - вот есть причина, а потом за ней идет следствие. А в мире ядер мы видим следствие (их распад), но не знаем, какова конкретная причина, которая вызвала распад именно этого ядра, а не соседнего. И не знаем не потому, что еще не исследовали эту тайную причину, а потому, что ее там нет. Вот и вводим понятие вероятностной причины, и говорим, что мы можем вычислить только вероятность, с которой распадется именно вот это ядро атома. Если угодно, вся квантовая механика (равно как и ОТО, и космология) есть свидетельство нашего очень скромного и узкого по масштабам места в мире, в котором нам не дано ни жить среди молекул и атомов, ни покорять телесно просторы Метагалактики.

Это иллюзия, что мы можем представить Вселенную. Такие масштабы как миллиарды световых лет, все, что находится под сферой Шварцшильда в черной дыре, сингулярность, температуру в триллионы градусов представить невозможно. В той же степени, что и электрон или фотон. Но понять - вполне.
•
• Дорогой Валерий Петрович,
•
Рад получить от Вас весть - если Вас интересует стрела времени, значит со здоровьем ни так уж плохо.

Сам я придерживаюсь в точности того мнения, которое выражено Вами. Относительно "беспричинного" распада радиоактивных ядер я законопослушно связываю причину распада с той же самой, которая стремит любое возбуждённое состояние привести к основному, т.е., обладающему минимальной энергией. Причиной этой квантовая электродинамика считает наличие фона "нулевых флуктуаций Э-М поля". (Между прочим, все ядра тяжелее железа радиоактивны - просто у них ОЧЕНЬ большие времена жизни). По своей природе я экспериментатор и считаю заслуживающим внимания только события и явления, доступные проверке. Меня не интересуют "зеркальные" вселенные, не взаимодействующие с нашей вселенной. И даже довольно мало меня интересует история "первородного взрыва", как и физика чёрной дыры. Я верю, что ближайшая к нам чёрная дыра находится от нас на расстоянии около 10 тысяч световых лет, т.е., абсолютно недостигаема - и слава Богу!

Сегодня меня преследует такой образ: накопление знаний человечеством представляется мне расширяющейся сферой, отделяющей мир познанного (внутри сферы) от непознанного. При этом по мере накопления знания поверхность границы непознанного непрерывно растёт! Сегодня мы не знаем гораздо больше, чем сто лет назад!

Мой сын прислал мне ссылку на видео-отчёт о международной конференции, на которой он выступает с 15-минутным докладом на русском языке - это первый доклад после вводных слов. Мальчик вырос. https://www.youtube.com/watch?v=fGR0112IOLs
•
• В некоторых статьях сказано, что время жизни элементарных частиц внутри атомного ядра обусловлено комбинацией сил внутриядерных взаимодействий, и причиной распада ядер тяжёлых элементов является «короткодействие» сильных взаимодействий. «С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому большинство тяжелых ядер радиоактивны, а совсем тяжелые вообще не могут существовать.» Неустойчивые ядра атомов должны спонтанно распадаться и как любой неустойчивый объект в динамических условиях должны сваливаться в потенциальную яму. Период полураспада различных изотопов урана составляет время до нескольких миллиардов лет.

Вопрос в Вашей постановке, если его переформулировать, состоит в том, почему время спонтанного завершения жизни атомов урана в куске урановой руды не находится для всех атомов на одной фиксированной отметке.

Во-первых, в условиях неустойчивости ядра минимальные вариации существования его элементарных частиц (напр., «под действием нулевых колебаний вакуума» или спонтанного возникновения виртуальных частиц) могут как-то повлиять на состояние ядра. Это случайный процесс.

Во-вторых, момент распада может отличаться не только ввиду неидентичности самих атомов, но и ввиду того, что они образовались неодновременно. Понятие случайности, вообще говоря, не должно противоречить понятию причинности.

Евгений Борисович, добрый день,

• Спасибо за линк, прослушал выступление Кирилла. Узнал, что в Австралии уже на промышленном уровне биотехнология добывает медь. Это, конечно, прорыв.
• Встретил на этой конференции еще хорошего знакомого – Петра Щедровицкого. В свое время он был первым замом Сергея Кириенко в Росатоме, кое-что рассказывал «пикантного», относящегося к сайентологии, до которой Кириенко был охоч.
• О распаде радиоактивных атомов. Пусть причиной этого будет наличие фона "нулевых флуктуаций Э-М поля". Но почему квантовая электродинамика не имеет возможности предсказать, хотя бы дать только вероятность, когда именно распадется вот этот конкретный атом? А может только назвать период полураспада, хотя для этого и квантовой электродинамики не надо.
• Я понял так, что общая причина радиоактивности известна: это неустойчивость тяжелых ядер, ибо их внутренняя энергия больше, чем суммарная энергия частей, на которые они распадаются. То есть такие атомы, как шарик стоящий на горке, "имеет стремление" скатиться с нее. У нас же речь идет о причине распада отдельного ядра. Все атомы урана произошли одновременно при взрыве сверхновой, из ошметков которой потом возникла солнечная система вместе с Землей.
Если же вознестись в философские безвоздушные пространства, то тут уже были сказаны вечные слова. Это Кант, за слова которого ему самое место быть в Соловках. Он сказал, что есть вещи в себе и есть вещи для нас. И вот область микромира – это как раз вещи в себе.

Как они устроены «на самом деле»? Имеется в виду, что бы мы увидели, сами став микрообъектом и посмотрев на электрон. Примерно так, как мы видим шарик пинг-понга. Но так как стать микрообъектом нам не дано в принципе, то и приходится пользоваться макроприборами, чтобы хоть как-то перевести их «самость» на язык нашего масштаба прозябания.

И этого достаточно для того, чтобы малой толикой эти электроны и фотоны стали вещью для нас, хотя бы и в древних рентгеновских аппаратах.

.