«Лучший взгляд на реальность, который у нас есть» Шон Кэрролл — один из ведущих космологов современности
"Это самый необычный, манящий и заставляющий задуматься из всех способов интерпретации квантовой механики. В своем наиболее знакомом виде многомировая интерпретация (MWI) предполагает, что мы живем в почти бесконечном количестве вселенных, наложенных друг на друга в одном физическом пространстве, но взаимно изолированных и развивающихся независимо. Во многих из этих вселенных существуют копии вас и меня, почти неотличимые, но ведущие другие жизни." Филип Болл — английский ученый и научный журналист, редактор-консультант отдела физики журнала Nature. Изучал химию в Оксфордском университете, получил докторскую степень по физике в Бристольском университете.
Многомировая интерпретация, сформулированная американским физиком Хью Эвереттом в конце 1950-х годов, представляет нашу Вселенную всего лишь как один из многочисленных параллельных миров, которые ответвляются друг от друга, наносекунда за наносекундой, не пересекаясь и не сообщаясь друг с другом. (Теория многих миров отличается от концепции мультивселенной, которая изображает множество замкнутых вселенных в разных регионах пространства-времени.) Спустя шесть десятилетий эта теория - одна из самых причудливых, но вполне логичных идей в истории человечества, выросшая непосредственно из фундаментальных принципов квантовой механики без введения посторонних элементов.
Волновая функция, является ключевым источником разногласий при интерпретации квантовой механики
«Проблема измерения»
После того как датский физик Нильс Бор сформулировал и усовершенствовал то, что стало известно как копенгагенская интерпретация - широко известная как ортодоксальный взгляд на квантовую механику - в 1930-х и 1940-х годах, казалось, что центральной проблемой квантовой механики был таинственный разрыв, созданный наблюдением или измерение, который называется «коллапс волновой функции».
Волновая функция - это математическое выражение, которое определяет все возможные наблюдаемые состояния квантовой системы, такие как различные возможные местоположения частицы. До тех пор, пока не будет произведено измерение и волновая функция не схлопнется (что бы это ни значило), нет никаких оснований приписывать более высокую степень реальности любому из возможных состояний, чем любому другому. Дело не в том, что квантовая система на самом деле находится в том или ином из этих состояний, но мы не знаем в каком; мы можем с уверенностью сказать, что он не находится ни в одном из этих состояний, но правильно описывается самой волновой функцией, которая в некотором смысле «разрешает» их все как результаты наблюдений. Куда же они все деваются, кроме первого, когда волновая функция коллапсирует?
На первый взгляд, многомировая интерпретация кажется восхитительно простым ответом на это таинственное исчезновение. Она говорит, что ни одно из состояний не исчезает вообще, за исключением нашего восприятия. По сути, она говорит: давайте вообще покончим с коллапсом волновой функции.
Это решение было предложено молодым физиком Хью Эвереттом III в его докторской диссертации 1957 года в Принстоне, где его руководителем был гениальный физик ХХ века Джон Уиллер. Хью Эверетт имел целью решить «проблему измерения», используя только то, что мы уже знаем: квантовая механика работает.
Хью Эверетт родился 11 ноября 1930 года в Вашингтоне в семье кадрового военного Хью Эверетта младшего (1904-1980). Его мать, Катарина Кеннеди Эверетт, была образованной и романтичной женщиной. Она окончила Университет Джорджа Вашингтона, писала стихи и рассказы на философские темы и о космосе. Скорее всего, именно влиянием матери можно объяснить ранний интерес к наукам, проявившийся у Хью еще в подростковом возрасте. По крайней мере, уже в двенадцать лет он написал "ученое" письмо самому Эйнштейну, который в своем ответе отметил завидную остроту ума юного дарования.
По окончании школы Эверетт поступил на инженерно-химический факультет Католического Университета Америки (Вашингтон) и в 1953 году получил диплом бакалавра Magna Cum Laude. Получив поддержку Национального Научного Фонда и военного ведомства, Эверетт продолжает учебу в Принстонском университете, где в 1954 году на втором курсе аспирантуры переходит под руководство знаменитого Джона Арчибальда Уилера, одного из ведущих разработчиков американского ядерного проекта и, пожалуй, самого остроумного физика ХХ века. В какой-то мере это и предопределило неоднозначную научную судьбу Хью Эверетта.
В определенной мере теория, которая сделала Эверетта знаменитым, была порождением его безудержного остроумия. Она родилась на пирушке, которую в 1954 году устроили Эверетт, его коллега по аспирантуре Чарльз Мизнер и ассистент Нильса Бора Ааг Петерсен. Двое последних стали провоцировать славящегося своей находчивостью Эверетта каверзными вопросами о парадоксах квантовой механики. Хью Эверетт в ответ просто разгромил готовую диссертацию Чарльза Мизнера (тот вынужден был разработать новую теорию) и на ходу сформулировал тезисы, ставшие основой его будущей теории.
Уже в сентябре 1955 года молодой аспирант представил Джону Уилеру три статьи, в одной из которых был изложен первый вариант его теории "соотнесенных состояний". Учитель высоко оценил работы, но направлять их в печать не спешил, так как небезосновательно опасался дилетантских перетолкований. Но искомую степень магистра Эверетт в этом году получил.
В январе 1956 года Эверетт рассылает на рецензию свою 137-страничную работу "Теория вселенской волновой функции", на которую, судя по благодарностям в диссертации "Об основаниях квантовой механики", представленной в Принстонский университет 1 марта 1957 года, прислали отзывы Бор, Греневальд, Петерсен, Штерн и Розенфельд.
Осенью 1956 года Эверетт принимает приглашение основать и возглавить Группу оценки систем вооружений Пентагона. В это время его увлекают компьютеры, и он прилагает массу усилий для выбивания из генералов финансирования на компьютеризацию (часто оформляя решение этой административной проблемы как розыгрыш). В Группе оценки систем вооружений Эверетт публикует статьи по теории игр, разрабатывает множество алгоритмов (наиболее эффективные из них получили название "алгоритмов Эверетта") и решает огромное множество задач - от тактики возможной ядерной войны до геополитических стратегий и от изучения НЛО до бизнес-планирования. Сам Эверетт очень гордился созданным им самим в конце 50-х - начале 60-х годов текстовым редактором.
В начале 1957 года, следуя рекомендациям Джона Уилера, Эверетт перерабатывает свою рукопись 1956 года в статью «Формулировка квантовой теории в терминах "соотносительных состояний"», к которой Уилер написал послесловие. В марте учитель и ученик разослали свои статьи на рецензии. Ответы прислали Петерсен, Греневальд и Норберт Винер. В июле статьи были опубликованы в "Reviews of Modern Physic" (Vol. 29, № 3). Любопытно, что свои революционные пассажи о расщеплении и ветвлении миров Эверетт вставил уже в гранках и, скорее всего, без особого одобрения со стороны Уилера.
В марте и апреле 1959 года, по просьбе Уиллера, Эверетт посетил Копенгаген , на отдыхе с женой и маленькой дочерью, чтобы встретиться с Нильсом Бором , «отец в копенгагенской интерпретации в квантовой механике ». Визит был полной катастрофой; Эверетт не смог передать основную идею о том, что Вселенная теоретически описывается объективно существующей универсальной волновой функцией (которая не «коллапсирует»); это было просто ересью для Бора и других в Копенгагене. Концептуальная пропасть между их позициями была слишком велика, чтобы допускать единство мнений; Леон Розенфельдодин из приверженцев Бора, рассказывая о визите Эверетта, описал Эверетта как «неописуемого глупца и неспособного понять простейшие вещи в квантовой механике». Позже Эверетт описал этот опыт как «ад ... обреченный с самого начала».
Но Бор и его коллеги не использовали коллапс волновой функции только для того, чтобы усложнить задачу. Они решили так потому что, похоже, так и происходило в квантовой реальности. Когда мы проводим измерения, мы действительно получаем только один результат из многих, которые предлагает квантовая механика. Коллапс волновой функции казался необходимым для того, чтобы связать квантовую теорию с реальностью.
Итак, Эверетт считал, что виновата интерпретация реальности. Мы думаем только о том, что есть один результат измерения. Но на самом деле все они случаются. Мы видим только одну из этих реальностей, но другие тоже имеют отдельное физическое существование.
Фактически это означает, что вся Вселенная описывается гигантской волновой функцией, которая содержит в себе все возможные реальности. Эта «универсальная волновая функция», как назвал ее Эверетт в своей диссертации, начинается как комбинация или суперпозиция всех возможных состояний составляющих ее частиц. По мере развития некоторые из этих суперпозиций разрушаются, делая определенные реальности отличными и изолированными друг от друга. В этом смысле миры не совсем «созданы» измерениями; они просто разделены. Мы должны говорить о расщеплении двух реальностей, которые ранее были всего лишь возможными вариантами будущего одной реальности.
Когда Эверетт представил свою диссертацию и в то же время опубликовал идею в уважаемом физическом журнале, ее в значительной степени проигнорировали. Физики начали обращать на это внимание только в 1970 году, после того как американский физик Брайс ДеВитт представил в широко читаемом журнале Physics Today изложение этой идеи .
Если все возможные результаты квантового измерения реально существуют, где они находятся и почему мы видим (или думаем, что видим) только один? Вот где вступают в игру многие миры. ДеВитт утверждал, что альтернативные результаты измерения должны существовать в параллельной реальности: другом мире. Вы измеряете путь электрона, и в этом мире он, кажется, идет этим путем, но в другом мире он шел именно так.
Для этого требуется параллельное идентичное устройство для прохождения электрона. Более того, для его наблюдения требуется параллель, потому что только в процессе измерения суперпозиция состояний кажется "схлопывающейся". Начавшись, этот процесс дублирования, кажется, не имеет конца: вы должны построить всю параллельную вселенную вокруг этого одного электрона, идентичного во всех отношениях, за исключением того, куда он направился. Вы избегаете осложнений, связанных с коллапсом волновой функции, но за счет создания другой вселенной. Теория не совсем точно предсказывает другую вселенную, как обычно предсказывают научные теории. Это просто вывод из гипотезы о том, что другой путь электрона тоже реален.
Эта картина становится действительно экстравагантной, когда вы понимаете, что такое измерение. С одной точки зрения, любое взаимодействие между одной квантовой сущностью и другой - фотон света, отражающийся от атома - может привести к альтернативным результатам, и поэтому требует параллельных вселенных.
Как гоаорит ДеВитт:
«Каждый квантовый переход, происходящий на каждой звезде, в каждой галактике, в каждом отдаленном уголке Вселенной, разбивает наш локальный мир на Земле на мириады копий»
"В этой «мультивселенной» все возможные состояния существуют в каждый момент - это означает, по крайней мере, с популярной точки зрения, что все, что физически возможно, реализуется (или будет) реализовано в одной из параллельных вселенных" физик и сторонник многих миров Макс Тегмарк
Эта интерпретация говорит нам о том, что у нас есть несколько «я», живущих другими жизнями в других вселенных, вполне возможно, что мы делаем все, о чем мечтаем, но никогда не достигнем (или никогда не осмелимся попытаться). Нет пути, по которому нельзя идти.
Возникает несколько вопросов. Для начала о раздвоении миров. Как на самом деле происходит раскол? Декогеренция
Сейчас используется точка зрения, основанная на декогеренции. Микроскопическое квантовое событие вызывает макроскопическое, классическое поведение посредством процесса, называемого «декогеренцией», в котором волнообразные состояния квантовой системы становятся несогласованными и искажаются из-за их взаимодействия с окружающей средой. Параллельные квантовые миры разделяются после того, как они декогерировались, поскольку по определению декогерированные волновые функции не могут иметь прямого причинного влияния друг на друга. По этой причине теория декогеренции, разработанная в 1970-х и 1980-х годах, помогла объяснить многомировую интерпретацию Эверетта, предоставив обоснование того, что ранее казалось довольно сомнительным событием.
С этой точки зрения расщепление не является внезапным событием. Он развивается через декогеренцию и завершается только тогда, когда декогеренция устранила всякую возможность интерференции между вселенными.
Основная научная привлекательность многомировой интерпретации заключается в том, что она не требует изменений или дополнений к стандартному математическому представлению квантовой механики. Не бывает загадочного, произвольного и резкого коллапса волновой функции. И практически по определению она предсказывает экспериментальные результаты, полностью согласующиеся с тем, что мы наблюдаем.
Многомировая интерпретация, безусловно, является наиболее популярной из интерпретаций. Некоторые физики считают это абсурдом; Между тем «эвереттианцы» часто непоколебимы в своем убеждении, что это наиболее логичный и последовательный способ думать о квантовой механике. Некоторые из них настаивают на том, что это единственная правдоподобная интерпретация.
Некоторые критикуют эту интерпретацию по соображениям здравого смысла: люди возражают против всего этого бесчисленного множества других вселенных, умножающихся на триллион каждую наносекунду, потому что это просто неправдоподобно. Другие копии меня? Другая мировая история? Миры, в которых меня никогда не было? Честно говоря, что дальше! Это возражение справедливо отклоняется, говоря, что оскорбление чьего-либо чувства здравомыслия не является основанием для отклонения теории. Кто мы такие, чтобы говорить, как должен вести себя мир?
Более сильное возражение против распространения миров заключается в безразличии, с которым создаются вселенные. Французский физик Ролан Омнес говорит, что идея о том, что каждое маленькое квантовое «измерение» порождает мир, «придает чрезмерное значение небольшим различиям, порождаемым квантовыми событиями, как если бы каждое из них было жизненно важным для Вселенной». По его словам, это противоречит тому, что мы обычно узнаем из физики: большинство мелких деталей не имеют никакого значения для того, что происходит в более крупных масштабах.
Многомировая интерпретация - если воспринимать ее всерьез, по-моему немыслима.
Спасибо за внимание!