Предполагает ли квантовая механика множественность миров или что такое интерпретация Эверетта?

Ну что, поговорим немного о квантовой механике? Согласна, довольно сложная тема, но эта сложность лишь придает ей пикантности и остроты. Как и многочисленные предположения о существовании Мультивселенной и параллельных реальностей. К слову сказать, современная физика изобилует подобными идеями, но мы с вами остановимся на одной из, по моему скромному мнению, самых интересных из них – многомировой интерпретации квантовой механики или интерпретации Эверетта. В 1954 году, будучи аспирантом Принстонского университета, физик Хью Эверетт пришел к революционной интерпретации нерелятивистской квантовой механики, которую полностью развил за два последующих года. Однако научное сообщество не придало особого внимания трудам Эверетта, так как работа не вела к новым предсказаниям и к тому же выглядела парадоксальной и в целом ненужной. Более того, его труд никак не повлиял на основную линию развития теоретической физики и создание Стандартной модели физики элементарных частиц. И все же, десятилетия спустя работа Эверетта привлекла внимание космологов. И хотя практических последствий она по-прежнему не принесла, это не значит, что видение мира, описанное в работе выдающегося физика, не стоит нашего с вами внимания.

Многомировая интерпретация квантовой механики

Итак, для начала давайте оговорим кое-что важное: когда физики размышляют о Мультивселенной, скорее всего, они думают о космологической мультивселенной. Да, звучит как минимум грандиозно, но так оно и есть. Просто речь идет не о наборе отдельных вселенных. Скорее, эти идеи относится к совокупности областей пространства, настолько далеких, что они для нас попросту ненаблюдаемы. К тому же, там действуют свои, неизвестные для нас законы.

Некоторые физики считают, что могут существовать разные частицы, разные силы, даже разное количество измерений пространства по сравнению с тем, что мы видим вокруг нас.

Но что такое космологическая вселенная? Удивительно, но объяснение звучит проще, чем кажется – наука космология изучает свойства и эволюцию Вселенной. Ни больше ни меньше. А Вселенная, как мы знаем, та еще штучка – родилась около 14 миллиардов лет назад и с тех пор расширяется, расширяется и расширяется со все возрастающей скоростью.

Вселенная, как мы знаем сегодня, расширяется с ускорением. Но почему это происходит физики сказать не могут.

И когда физики говорят о космологической вселенной они вовсе не веселятся, воображая бесконечное множество копий самих себя, как, например, в мультсериале «Рик и Морти», главные герои которого с помощью «портальной пушки» путешествуют по этому самому Мультиверсу, нередко уничтожая целые миры. Нет, физики, конечно, любят смотреть на путешествия вечно пьяного дедули и его робкого внука и размышлять о подобном, но идея космологической вселенной естественно возникает как следствие других (не менее спекулятивных идей), включая теорию струн и космологическую инфляцию.

Многие исследователи полагают, что так как эти идеи сами по себе являются умозрительными, космологическую мультивселенную следует рассматривать как умозрительную в квадрате. Безусловно, она действительно может существовать, но единственное, что можно сказать по этому поводу прямо сейчас – мы не знаем.

Однако множественные «миры» квантовой механики – это нечто совершенно иное. Они находятся недалеко – но лишь потому, что они вообще нигде не «расположены». И они естественным образом вытекают из простейшей версии нашей наиболее проверенной физической теории – квантовой механики.

Квантовая механика Мультивселенной

Но чтобы понять почему это так, следует вспомнить как работает квантовая механика. Давайте рассмотрим электрон – элементарную частицу, имеющую определенное фиксированное значение величины, называемой спином. Когда мы измеряем его вращение, то получаем только один из двух возможных ответов: он вращается вверх или вниз относительно любой оси, которую мы использовали для его измерения.

Наш мир намного больше и сложнее, чем мы можем себе представить. Но шанс разгадать фундаментальные тайны Вселенной у нас есть.

Странно, да? Почему всего два возможных ответа? Но еще более странно то, что мы не всегда можем предсказать, каким будет результат измерения. Мы можем подготовить электрон в “суперпозиции” спина вверх и спина вниз, так что будет некоторая вероятность наблюдения каждого результата. Напомним, что физики описывают состояние электрона в терминах «волновой функции», которая демонстрирует какая часть состояния электрона имеет спин «вверх», а какая –»вниз». Также ученые используют волновую функцию для вычисления вероятности каждого результата измерения.

Однако чем больше экспериментов проводят ученые, и чем глубже становится их понимание квантовой механики, тем больше кажется, что волновая функция действительно существует. Она не просто характеризует наши знания, это – реальное физическое состояние электрона.

Таким образом, все квантовые предметы можно описать лишь с помощью вероятностей, а волновая функция и вовсе дарит шанс на существование любого количества различных состояний, в которых может находиться объект. Но стоит начать наблюдать за ним, или измерить его, как объект принимает одно из известных состояний – по крайней мере, с вашей точки зрения.

Волновая функция квантовых состояний

Интересно и то, что волновая функция, скажем так, разделяет физиков. Многие придерживаются Копенгагенской интерпретации, согласно которой мы никогда не сможем узнать, что происходит в этой нечеткой области предварительного измерения. Другими словами, квантовая теория делает предсказания о реальности, но ничего не говорит о том, как именно она устроена.

Интерпретация Эверетта

Итак, мы выяснили, что измерение – это взаимодействие квантового объекта с прибором. В результате этого взаимодействия измеряемый объект переходит из одного макростсояния в другое. И вот тут-то, как говорится, собака зарыта – согласно копенгагенской интерпретации такова наша объективная реальность, для существования которой не нужны дополнительные обоснования. И Хью Эверетт высказался против подобной трактовки.

По Эверетту, волновая функция не коллапсирует. Это означает, что существует бесконечное множество параллельных копий воплощений нашей физической реальности, ведь волновая функция описывает единый квантовый мир – бесконечный набор возможных состояний. Измерение этих состояний позволяет физикам выделять классические проекции, в которых они сами и находятся в качестве наблюдателей. И если результат измерения – это выбор из всего двух состояний (спин вверх или спин вниз), то после измерения в дело вступает волновая функция, порождая два мира, в одном из которых спин вверх, а в другом – вниз.

Хью Эверетт. Изображение: TASS Наука

Как пишет физик Алексей Левин в статье Тасс, можно предположить, что различные ветви единой волновой функции, описывающие параллельные миры, осциллируют во времени не в фазе и потому друг для друга как бы не существуют.

Эрвин Шредингер, основатель квантовой теории, который глубоко скептически относился к ее правильности, подчеркивал, что эволюция квантовых систем естественным образом приводит к состояниям, которые могут быть измерены как обладающие совершенно иными свойствами. Его «кот Шредингера», как известно, увеличивает квантовую неопределенность в вопросах о смертности кошек. До измерения кошке нельзя присвоить свойство жизни (или смерти). И то, и другое — или ни то, ни другое — сосуществуют в целой преисподней возможностей.

Повседневный язык плохо подходит для описания квантовой дополнительности, отчасти потому, что повседневный опыт с ней не сталкивается. Практические кошки взаимодействуют с окружающими молекулами воздуха, среди прочего, совершенно по-разному в зависимости от того, живы они или мертвы, поэтому на практике измерение производится автоматически, и кошка продолжает жить (или умирать).

Разыскивается кот Шредингера! Живым или мертвым!

Но запутанные истории описывают вопросы, которые в реальном смысле являются котятами Шредингера. Их полное описание требует, чтобы в промежуточные моменты времени мы учитывали обе из двух противоречивых траекторий свойств.

Контролируемая экспериментальная реализация запутанных историй является деликатной, потому что она требует, чтобы мы собирали частичную информацию о нашем измерении. Обычные квантовые измерения как правило собирают полную информацию за один раз — например, они определяют определенную форму или определенный цвет — а не частичную информацию, охватывающую несколько раз.

Но это можно сделать — действительно, без больших технических трудностей. Таким образом, физики могут придать определенное математическое и экспериментальное значение распространению идеи множественности миров в квантовой теории и продемонстрировать ее обоснованность.

Выводы

В заключение хочу добавить, что сам сам Эверетт никогда не продвигал идею множественности миров или Мультивсерса. Еще до того, как он защитил докторскую диссертацию, он принял предложение о работе в Пентагоне и занимался проблемами холодной войны (некоторые его работы были настолько секретными, что до сих пор засекречены) и, по сути, исчезли с академического радара. Только в конце 1960-х годов идея набрала некоторый импульс, когда ее подхватил и с энтузиазмом продвигал Брайс Девитт из Университета Северной Каролины, который написал:

Каждый квантовый переход, происходящий в каждой звезде, в каждой галактике, в каждом отдаленном уголке Вселенной, расщепляет наш локальный мир на Земле на мириады копий самого себя.

Законы взаимодействия частиц кардинально отличаются от законов видимого мира

Интересно и то, что первая версия докторской диссертации Эверетта (позже измененная и сокращенная) на самом деле называлась «Теория универсальной волновой функции». И под «универсальным» Эверетт подразумевал следующее:

Поскольку утверждается универсальная значимость описания функции государства, можно рассматривать сами функции государства как фундаментальные сущности, и можно даже рассматривать государственную функцию всей вселенной. В этом смысле эту теорию можно назвать теорией «универсальной волновой функции», поскольку предполагается, что вся физика вытекает только из нее.

И все же, множество вопросов остаются без ответа. Но это нормально, так как физики любят решать сложные вопросы. Так что мы должны быть благодарны за то, что Хью Эверетт завещал нам богатый набор параллельных вселенных, в одной из которых, мы, судя по всему, и находимся. Так что смело передаю привет самой себе из параллельной вселенной, чем бы другая «я» сейчас не занималась.