Ученые пришли к выводу, что скорее всего мы живём в мультивселенной

Квантовая механика, недавно отметившая столетие, считается самой успешной теорией в истории физики. Но на фундаментальном уровне мы до сих пор не понимаем, что она говорит о том, как устроен мир.

Любой стандартный учебник скажет, что динамика квантовой механики основана на двух аксиомах — математических правилах, позволяющих теоретически вычислить исход эксперимента. Удивительно, но эти две аксиомы противоречат друг другу. Они представляют одну из глубочайших загадок природы: проблему квантового измерения — тот факт, что квантовые правила, описывающие измеряемый объект, по-видимому, не применяются к объекту, который измеряет. Это тревожное противоречие позволяет предположить, что к наблюдателю и наблюдаемому применяются разные физические законы.

Одно из предложений разрешить парадокс — многомировая интерпретация квантовой механики. Она требует, чтобы наша Вселенная на самом деле была мультивселенной. Эту идею часто считают маргинальной, даже несерьёзной. Однако в последнее время экспериментальный прогресс меняет ситуацию. Учёные смогли измерить квантовые эффекты в более крупных и сложных системах и на больших расстояниях, размывая границу, которая когда-то, как считалось, разделяла масштабы наблюдателя и наблюдаемого. Эти признаки того, что квантовые правила могут распространяться на макроскопическую область, заставляют многих физиков пересматривать отношение к многомировой интерпретации. Но что эта идея действительно означает для Вселенной, которую мы называем домом?

Что такое суперпозиция

Первая из двух противоречивых аксиом гласит, что квантовые системы описываются волновой функцией, называемой Ψ (пси) — математической величиной, которая кодирует всю информацию о квантовой системе, например положение, импульс и спин всех её частиц. Волновая функция эволюционирует во времени так, как диктует уравнение Шрёдингера, названное в честь австрийского физика Эрвина Шрёдингера. Как закон Ньютона в классической механике или уравнения поля Эйнштейна в общей теории относительности, уравнение Шрёдингера, применимое только к изолированным системам, — фундаментальная формула, с которой начинается любой расчёт в квантовой механике. В отличие от законов Ньютона и Эйнштейна, это уравнение имеет очень странное свойство: это волновое уравнение, и его решения должны подчиняться принципу суперпозиции.

Суперпозиция — жутковатый аспект квантовой механики, позволяющий частицам находиться в нескольких состояниях одновременно — буквально здесь и там сразу. Это свойство означает, что если Ψ1 и Ψ2 — оба решения уравнения Шрёдингера, то их сумма Ψ1 + Ψ2 — тоже решение. Ключевой момент: если вы начинаете с состояния в суперпозиции, оно остаётся в суперпозиции всё время — суперпозиции нельзя разрушить.

Чтобы оценить последствия суперпозиции, нужно понять, как волны складываются и вычитаются. Представьте, что вы стоите перед прудом с неподвижной поверхностью. Бросьте камень в пруд в позицию P1 и наблюдайте возникшую волновую картину. Дождитесь, пока поверхность снова успокоится, затем бросьте второй камень в позицию P2 и посмотрите на получившуюся картину. Теперь представьте, что вы бросаете камни одновременно в P1 и P2. Что вы увидите?

Если присмотреться, результат окажется просто суммой двух картин, созданных каждым камнем по отдельности. Если гребень волны от первого камня встречается с гребнем от второго, они складываются в более крупный гребень, но если гребень встречается с впадиной, они гасят друг друга. Эти процессы называются конструктивной и деструктивной интерференцией соответственно. Так несколько решений волнового уравнения можно сложить, и результат всё равно останется решением того же уравнения. И это не ограничивается двумя решениями — если вы хотите волновую картину от трёх камней, просто сложите три картины, и так далее.

В большинстве случаев волновые уравнения описывают приближение к реальности. Достаточно яркий свет, проходящий через вещество, не подчиняется принципу суперпозиции. Вблизи берега волны на воде разбиваются и нарушают принцип суперпозиции. Но уравнение Шрёдингера подчиняется принципу суперпозиции без исключений.

Проблема измерения

Вторая аксиома квантовой механики называется постулатом измерения. Представьте, что мы хотим измерить положение атома. Для простоты предположим, что атом может существовать только в двух разных положениях, P1 и P2, и что волновые функции, соответствующие этим положениям, — это Ψ1 и Ψ2 соответственно. Если атом описывается Ψ1, измерение покажет положение P1, если Ψ2 — измерение покажет P2. Пока всё хорошо. Но если атом описывается суперпозицией Ψ1 + Ψ2, измерение случайно выберет одно из двух возможных положений, как если бы другой части волновой функции не существовало. Это было бы так, как если бы все волны, созданные камнями, брошенными в пруд, внезапно исчезли, кроме волновой картины одного конкретного камня. Это явление называется коллапсом волновой функции, а возникающая физическая картина известна как копенгагенская интерпретация квантовой механики.

Вы можете спросить, что в этой интерпретации такого тревожного — в конце концов, это похоже на подбрасывание монеты, когда результат — орёл или решка — неизвестен, пока вы не посмотрите на монету. Но квантовая ситуация гораздо хуже.

Вспомните, что уравнение Шрёдингера описывает динамику атомов и других микроскопических частиц, таких как электроны или молекулы. Очевидно, что любой инструмент, которым мы измеряем положение атома, тоже состоит из атомов. Мы должны иметь право применить уравнение Шрёдингера не только к атому, который хотим измерить, но и к детектору, которым измеряем, и ко всему остальному в лаборатории.

Вот в чём беда. Мы знаем, что суперпозиции нельзя разрушить, потому что уравнение Шрёдингера подчиняется принципу суперпозиции. Если Ψ1 + Ψ2 описывает начальное состояние атома, то после измерения вся лаборатория должна находиться в суперпозиции, соответствующей Ψ1 + Ψ2, описывая атом в положении P1 или P2 и детектор в состоянии, измерившем P1 или P2 соответственно. Согласно уравнению Шрёдингера, никакого коллапса быть не может.

Итак, если постулат измерения верен — а он хорошо подтверждён эмпирически, — мы вынуждены принять следующий вывод: основной физический закон, уравнение Шрёдингера, который мы используем для измеряемой системы, нельзя применить к системе, которой мы измеряем. Как будто существует зыбкая граница между наблюдателем и наблюдаемым, хотя оба состоят из одних и тех же компонентов материи.

Решение Эверетта

В 1957 году Хью Эверетт III, тогда аспирант-физик Принстонского университета, предложил радикальное решение проблемы квантового измерения: отбросить постулат измерения как излишний. Что бы это значило?

Во-первых, больше не было бы странного разделения между измеряемой системой и измеряющей системой: детекторы были бы обычными физическими объектами, подчиняющимися принципу суперпозиции, как и атомы. Уравнение Шрёдингера было бы универсально действительным, а волновая функция никогда бы не коллапсировала.

Однако последствия этого огромны. Возвращаясь к нашему примеру: когда мы измеряем атом в суперпозиции двух положений Ψ1 + Ψ2, конечное состояние после измерения будет лабораторией в суперпозиции — атом в двух разных положениях, детектор в суперпозиции измерения любого из двух положений, экспериментатор в суперпозиции увиденного любого из двух исходов измерения детектора. Иными словами, в одной и той же лаборатории внезапно окажутся два экспериментатора, каждый — точная копия экспериментатора до измерения, за исключением крошечного различия: они теперь знают положение атома — для одного атом в P1, для другого в P2.

Ситуация становится ещё более странной. Теоретические аргументы позволяют предположить, что существенная часть, если не вся, случайность в мире имеет квантовое происхождение. Почему? Хотя суперпозиции нельзя разрушить, они могут распространяться от одной квантовой системы к другой почти как вирус. Мы уже видели эту идею, когда отметили, что исходная суперпозиция атома привела к конечной суперпозиции объединённой системы атом-плюс-детектор-плюс-экспериментатор.

Чтобы увидеть, как это распространение создаёт случайность во всём мире, снова рассмотрим обычный эксперимент с подбрасыванием монеты. В том, выпадет ли монета орлом или решкой, нет ничего поистине случайного. Если бы мы могли подбрасывать монету одинаково каждый раз с помощью тщательно изготовленного механического устройства, она всегда давала бы один и тот же результат, который можно было бы предсказать по закону Ньютона. Но если вы попробуете сами, то быстро заметите, что контролировать полёт монеты очень трудно, и результаты получаются непредсказуемыми. Одна из причин в том, что человеческая рука не может подбрасывать монету одинаково каждый раз: крошечные колебания в нервных импульсах, идущих от мозга к большому пальцу, вызывают различия в силе броска, что в свою очередь даёт разные результаты. Но если проследить всё до источника крошечных колебаний нервных импульсов, вы доберётесь до ещё меньших масштабов, где квантовые эффекты становятся значимыми: суперпозиция различных состояний электронов могла бы вызвать эти слегка различающиеся нервные импульсы. Таким образом, разные исходы подбрасывания монеты могли бы быть результатом усиленных квантовых флуктуаций на крошечных масштабах.

Но если предложение Эверетта верно, то каждый раз, когда вы подбрасываете монету, вы можете создавать две копии себя: одну, которая видит орла, и одну, которая видит решку. Результат — гигантская космическая суперпозиция Ψ1 + Ψ2 + Ψ3 + ..., которая растёт, как ветви на дереве. Вселенная становится суперпозицией разных вселенных, по одной на каждую ветвь волновой функции. Иными словами, Вселенная на самом деле — мультивселенная.

По этой причине предложение Эверетта известно как многомировая интерпретация квантовой механики. Однако называть её «интерпретацией» сбивает с толку. Многомировая интерпретация и копенгагенская интерпретация — не две разные интерпретации, а две разные теории. Первая предсказывает существование мультивселенной как неизбежное следствие принципа суперпозиции уравнения Шрёдингера. Вторая предсказывает единственную Вселенную, отрицая универсальную применимость уравнения Шрёдингера.

Какая теория верна?

Мы пока не знаем ответа, и долгое время казалось, что нам не нужно особо беспокоиться. Многие из первых квантовых экспериментов можно было объяснить модифицированной классической теорией. Свет и материю можно «квантовать», если думать о них как о состоящих из мелких частиц, которые также могут вести себя как волны — концепция, известная как корпускулярно-волновой дуализм. Явное решение уравнения Шрёдингера требовалось редко. Многие известные прорывы, связанные с квантовой механикой — вычисление Максом Планком излучения абсолютно чёрного тела, объяснение Эйнштейном фотоэффекта, идея Нильса Бора для объяснения спектральных линий атома водорода, существование спина электрона, обнаруженное в работе Отто Штерна и Вальтера Герлаха, — предшествовали открытию уравнения Шрёдингера.

Позже стало ясно, что все эти эффекты следуют из уравнения Шрёдингера. Однако экспериментальные подтверждения уравнения оставались ограниченными субатомной областью на протяжении многих десятилетий. Некоторые задавались вопросом, не является ли уравнение Шрёдингера приближением, которое прекрасно работает на микроскопическом масштабе, но нарушается на макроскопическом, что означало бы, что постулат измерения копенгагенской интерпретации верен.

Но экспериментальный прогресс последних десятилетий показывает, что уравнение Шрёдингера действует не только для мельчайших частиц. Эксперимент с двумя щелями — классическая установка, в которой учёные пропускают частицы через две щели в экране и наблюдают возникающую интерференционную картину, доказывая, что частицы ведут себя как волны. В 1999 году группа под руководством австрийского физика Антона Цайлингера подтвердила, что фуллерены — крупные молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, — ведут себя точно так же. Текущий рекорд 2019 года доказывает, что молекулы с 2000 атомов проявляют то же квантовое свойство. Тем временем другой тип эксперимента показал, что облака из тысяч захваченных атомов можно охладить до достаточно низких температур, при которых становятся видимыми экзотические квантовые фазы материи, такие как состояние, называемое конденсатом Бозе — Эйнштейна. Волновая природа квантовой механики, предсказанная уравнением Шрёдингера, была даже показана на сантиметровых масштабах в сверхпроводящих устройствах.

И в очень недавнем эксперименте квантовые оптические сигналы в суперпозиции различных состояний света были переданы между Южной Африкой и Китаем на расстояние более 12 900 километров. Поскольку свет подчиняется принципу суперпозиции даже в классической физике, этот экспериментальный прорыв не означает, что уравнение Шрёдингера обязательно применимо к объектам шириной 12 900 километров. Тем не менее, если собрать все эти результаты вместе, исследователи, которые всё ещё верят, что волновая функция должна коллапсировать на макроскопических масштабах, по-видимому, ступают по тонкому льду. Уравнение Шрёдингера, возможно, останется надолго.

Если мы предположим, что уравнение Шрёдингера применимо универсально, решили ли мы тогда проблему квантового измерения? К сожалению, нет, потому что за углом прячется другая проблема. Если всё описывается волновым уравнением, почему так много вещей ведут себя как классические частицы? Почему мы не можем взаимодействовать с другими ветвями мультивселенной? Если такая простая вещь, как подбрасывание монеты, может создать макроскопическую суперпозицию, почему мы не видим никакой интерференции между орлом и решкой?

Ответ сначала кажется несколько нелогичным: мы на самом деле видим интерференционные эффекты всё время, но только от деструктивной интерференции. Это то, что физики называют декогеренцией — неспособность многих волн проявлять сильную конструктивную интерференцию.

Заметьте, что декогеренция — не новый фундаментальный закон, который мы добавляем к уравнению Шрёдингера для получения классического поведения. Это следствие уравнения Шрёдингера, которое возникает естественным образом, как только появляется много интерферирующих волн. Фактически декогеренция — универсальное явление, с которым мы уже знакомы. Подумайте о дожде, падающем на пруд. Хотя теоретически возможно, чтобы все капли создали гигантский гребень через конструктивную интерференцию, в реальности мы видим повсюду мелкую рябь.

Один из способов понять, почему происходит декогеренция, — сравнить количество возможностей для конструктивной и деструктивной интерференции. Предположим, у вас есть четыре одинаковые волны, встречающиеся в некоторой точке пруда. Есть одна возможность, что встретятся только гребни, и результирующая волна будет в четыре раза больше отдельных. Есть четыре возможных способа, чтобы встретились три гребня и одна впадина, произведя волну вдвое больше исходных. И есть шесть возможных способов, чтобы встретились два гребня и две впадины, заставив волны полностью погаситься и создав плоскую поверхность. Повторяя это рассуждение для большего числа волн, обнаруживаем, что возможностей для деструктивной интерференции гораздо больше, чем для конструктивной.

Посмотрим на числа. Волны на воде, вызванные, скажем, 50 камнями, брошенными в пруд, имеют длину волны в несколько сантиметров и колеблются с частотой около 10 герц. Для сравнения, квантовый объект, видимый невооружённым глазом, содержит около 10²³ частиц, каждая из которых имеет длину волны менее одной миллиардной длины волны воды и частоту в несколько миллиардов раз большую.

Вспомните, насколько медленны и грубы наши человеческие чувства: кино показывает нам только 24 изображения в секунду, и мы воспринимаем их как непрерывное движение. Мы едва замечаем, что пиксели шириной 0,1 миллиметра на наших компьютерных экранах дискретны. Если 10²³ частиц интерферируют друг с другом на таких крошечных и быстрых квантовых масштабах, у человека нет шанса увидеть конструктивную квантовую интерференцию. Фактически численные симуляции уравнения Шрёдингера недавно показали, что с каждой дополнительной частицей декогеренция становится примерно вдвое сильнее. Это означает, что эксперименты всего с 50 атомами требуют детекторов, чувствительных к относительным отклонениям около 0,0000000000001 процента, чтобы отличить квантовые эффекты от классических. Это как пытаться измерить 100-метровый олимпийский забег на фемтосекундной шкале.

Справедливости ради, эти оценки верны для большинства, но не всех квантовых многочастичных систем, и только если мы сосредоточимся на свойствах, которые легко измерить, таких как грубые и медленные вещи, которые человек может воспринять. Если мы точно настроим квантовую систему, мы увидим, что квантовые эффекты сохраняются. Но для этого требуется огромный контроль и точность — как пытаться жонглировать 50 мячами с закрытыми глазами во время урагана. Вот почему так невероятно трудно построить работающий квантовый компьютер.

В нашем примере с прудом простое сравнение количества возможностей предполагает, что каждый камень испускает волну независимо. В этом случае сильная конструктивная интерференция могла бы быть создана точно настроенным узором камней. Например, одинаковые камни, брошенные по идеальному кругу, создали бы сильную конструктивную интерференцию, когда все волны встретились бы в центре круга. Но природные системы лишены такой высокой степени регулярности. Реальные камни будут иметь разные массы и формы, каждый порождая слегка отличающуюся волну. Физики называют такие системы неинтегрируемыми или хаотическими. В этих системах отсутствие регулярностей делает крайне маловероятным, что все волны проинтерферируют конструктивно.

Вы можете спросить, как вообще может возникнуть что-то интересное из квантовой механики, если деструктивная интерференция столь распространена. Ответ в том, что есть некоторые случаи, когда квантовые волны интерферируют конструктивно и порождают картину, знакомую из классической физики. Здесь аналогия с волнами на воде не совсем верна, но другая аналогия, знакомая из повседневной жизни, помогает. Многие годы люди считали, что свет состоит из частиц, летящих по прямым лучам. В большинстве случаев это описание является хорошим приближением, потому что волновая природа света проявляется только при взаимодействии с объектами, размер которых сравним с длиной волны света — около 500 нанометров.

При типичных обстоятельствах свет, таким образом, как будто следует по прямой линии. Этот эффект возникает из конструктивной интерференции в направлении луча и деструктивной интерференции вне его, где свет «тёмный». Вы можете представить квантовую мультивселенную как совокупность световых лучей, летящих через огромное тёмное пространство. Каждый луч описывает отдельный макроскопический мир. Огромная темнота между лучами не соответствует отсутствию волн — она возникает из деструктивной интерференции многих волн.

Хотя мультивселенная звучит как научная фантастика, это реальное научное предсказание, если мы предположим, что уравнение Шрёдингера, фундаментальный закон, управляющий нашим микроскопическим миром, также применимо к макроскопическому миру. Сейчас мы не можем сказать наверняка, и у нас нет идеального теста этого вопроса. Неясно, верно ли это предположение, и неясно, как проверить его экспериментально. Но есть косвенные следствия гипотезы мультивселенной, которые могли бы придать ей доверие.

Например, реликтовое излучение, которое астрономы видят по всему пространству, в настоящее время хорошо объясняется идеей инфляции, которая утверждает, что ранняя Вселенная была доминирована квантовым полем, называемым инфлатоном, которое быстро растянуло пространство. Если физики могут предположить, что квантовая механика была применима ко всему космосу в ранние времена, разве она не должна быть применима ко всей Вселенной сегодня? Или вступают в игру другие механизмы?

Ещё одна подсказка — тот факт, что Вселенная выглядит тонко настроенной: небольшое изменение её фундаментальных параметров, таких как точный заряд электрона, масса протона или сила гравитационной постоянной, сделало бы жизнь, как мы её знаем, невозможной. Как объяснить, что эти значения кажутся почти выбранными для удобства жизни? Популярный ответ известен как антропный принцип: тот факт, что мы живы, означает, что мы должны находиться в версии Вселенной, совместимой с жизнью. Мы по существу выбрали эту Вселенную из множества всех возможных вселенных, которые могут быть в основном враждебны жизни. Но что значит «выбрали»? Из какого «набора вселенных» мы выбираем? Здесь ответ сильно зависит от того, существует ли только одна уникальная Вселенная или огромная их совокупность.

Многие практические вопросы в конечном итоге зависят от того, на каких масштабах уравнение Шрёдингера действительно. Мощь квантовых компьютеров, например, основана на их способности помещать большие квантовые системы, состоящие из многих частиц, в хорошо контролируемые суперпозиции. Если это невозможно для систем, намного больших, чем атомы, многие из текущих технологических усилий человечества были бы потрачены впустую.

Вопрос имеет последствия и для стремления объединить квантовую механику с общей теорией относительности. Поиск правильной объединяющей теории сильно зависит от того, какая «интерпретация» квантовой механики верна. Нужно ли нам квантовать гравитацию, или её можно описать классически на макроскопических масштабах?

Что остаётся

Многомировая интерпретация набирает силу как кандидат на решение проблемы квантового измерения. Несмотря на её казалось бы странное предсказание, что наш мир — лишь часть мультивселенной, из-за деструктивной и конструктивной интерференции она прекрасно совместима с нашим ощущением жизни в одной классической Вселенной. Более того, она открывает возможности для решения фундаментальных и технологически значимых вопросов.

Тем не менее, многие сложные открытые вопросы должны быть решены, прежде чем многомировую интерпретацию можно будет принять как наше лучшее объяснение проблемы измерения. Одна из таких загадок касается происхождения неопределённости, случайности и вероятности, которые столь центральны для квантовой механики. Что значит, что событие появляется с определённой вероятностью, если все возможные события всегда реализуются одновременно? И как возникают конкретные квантовые вероятности, которые мы наблюдаем в экспериментах, в нашей ветви мультивселенной?

В настоящее время даже самые сильные сторонники многомировой интерпретации не согласны в том, как ответить на эти вопросы. Пока природа нашей Вселенной — или вселенных — и квантовые правила, которые ею управляют, остаются столь же нерешёнными, как и бросок монеты.

Источник:  https://earth-chronicles.ru/