Множество миров (MWI) интерпретация квантовой механики является предметом ожесточенных дебатов в сообществе физиков, причем некоторые придерживаются одной стороны или другой с религиозным рвением.
Кратко говоря, MWI утверждает, что каждый раз, когда мы наблюдаем результат квантовой волновой функции, содержащей суперпозицию противоречивых состояний, вселенная разделяется на несколько взаимно исключающих вселенных, каждая с разным результатом.
Квантовая волновая функция — это просто состояние любой частицы, такой как электрон или фотон (частица света). Это включает в себя материю, из которой состоит все, от лабораторного оборудования до людей.
Ключевое различие между квантовой волновой функцией и классическим состоянием движения заключается в том, что волновая функция может содержать много различных, противоречивых наблюдений. Например, частица может находиться в двух местах одновременно, двигаться в двух направлениях одновременно или находиться в состоянии спина вверх и спина вниз одновременно (так как почти все частицы вращаются как волчки).
То, как мы измеряем результат, также может повлиять на то, что мы измеряем. Если мы поместим детектор в одно место, мы обнаружим одно, а если в другое место — то другое. Это может определить, разделяются ли вселенные или остаются вместе для нас.
Классический эксперимент, показывающий, что квантовые волновые функции действительно содержат противоречивые реальности, — это эксперимент с двойной щелью. Доктор Квант объясняет этот эксперимент в этом видео:
Он показывает, что «частицы» ведут себя как частицы и как волны. MWI утверждает, что на самом деле частицы действительно являются просто частицами, но копии одной и той же частицы существуют во многих, многих различных вселенных или мирах. Пока никто не производит измерений этих частиц, наши сознания (и экспериментальные установки) охватывают эти вселенные, и мы наблюдаем, как многие вселенные взаимодействуют друг с другом. Это создает видимость частицы как волны. Это множество копий частицы в разных вселенных, взаимодействующих, как множество молекул воды.
Однако, как только мы наблюдаем частицу, мы интегрируемся с одной конкретной вселенной, и эта вселенная должна отделиться (для нас) от других вселенных. Из-за сложных взаимодействий между частицей, экспериментальной установкой, наблюдателем и миром, волновая функция декогерирует таким образом, что частица больше не может взаимодействовать с другими своими копиями. Она больше не чиста. Вселенные полностью разделяются.
Как и многие теории, пытающиеся разрешить проблему квантовой интерпретации, MWI предполагает, что с реальностью происходит нечто фундаментальное, когда мы наблюдаем квантовое состояние. Если вы считаете это проблематичным, вы не одиноки.
До сих пор нет никаких доказательств того, что MWI верна, и поэтому, как многие ученые, я утверждаю, что в отсутствие научных доказательств мы должны занять философскую позицию и спросить, является ли MWI лучшей идеей, которую мы можем придумать.
Как и большинство философских вопросов, это открыто для обсуждения, но, безусловно, существует множество убедительных альтернатив от теорий скрытых переменных до суперселекции и согласованных историй.
Новая интерпретация квантовой механики
В этой статье я выдвигаю свою версию, так сказать, и предлагаю альтернативную квантовую интерпретацию. Мое объяснение основывается на следующих предпосылках:
- Вселенная имеет дополнительное измерение, то есть она пятимерная.
- Все квантовые поля (включая нас) движутся (или текут) в этом пятом измерении, подчиняясь 5D классическим уравнениям движения.
- В каждой точке этого пятого измерения вселенная во времени и пространстве принимает только одну классическую конфигурацию.
- Пятое измерение находится в статистическом равновесии (означает, что энтропия постоянна) с «температурой», объясняющей квантовую неопределенность (эта температура равна постоянной Планка, деленной на 2π).
- Под классическими, я имею в виду, что квантовые поля подчиняются принципу наименьшего действия, как и классическая ньютоновская физика.
Поскольку мы находимся в одной позиции в пределах пятого измерения в любой момент времени (хотя мы не знаем, где, потому что оно невидимо), вселенная всегда имеет одно определенное, классическое состояние. Однако, из-за неопределенности в этом измерении, мы можем делать предсказания только в терминах вероятностей.
Это работает следующим образом. Представьте, что вы испускаете частицу, и она имеет волновую функцию, содержащую два состояния в суперпозиции. Эти состояния могут называться вверх и вниз или 1 и 0, это не имеет значения. Внутри волновой функции каждое существует с вероятностью 1/2. Это не означает, что волновая функция имеет 50% вероятность быть вверх и 50% вероятность быть вниз. На самом деле, волновая функция наполовину вверх и наполовину вниз, но когда мы измеряем, она будет либо тем, либо другим с вероятностью 50%.
В пятимерной теории это интерпретируется так: частица наполовину вверх и наполовину вниз, когда она движется в пятом измерении. Это справедливо для многих классических статистических систем, таких как газы. Разница между обычной статистической физикой и квантовым случаем заключается в том, что в обычной физике случайность происходит во времени. Здесь это происходит в другом измерении, не во времени. Я называю это квантовым измерением.
Когда мы измеряем состояние частицы, то, что мы измеряем, определяется тем, где мы и частица находимся в квантовом измерении. Это не обязательно меняется со временем, т.е. мы не можем просто подождать немного и изменить результат. Поскольку квантовое измерение перпендикулярно времени, у нас нет контроля над нашим движением в нем и, что более важно, у нас нет возможности измерить, где мы находимся в этом измерении.
Это потому, что, в отличие от времени, в пятом измерении нет стрелы времени, так как энтропия постоянна. Нет часов, измеряющих наше движение в этом направлении.
Если взять пример с экспериментом с двойной щелью, то можно увидеть, что каждая точка вдоль квантового измерения соответствует разному полному пути между эмиттером и детектором. Путь называется мировой линией и в квантовом измерении образует своего рода лист (мировой лист), который образует полное целое, причем каждый путь непрерывно влияет на каждый другой путь.
Это очень похоже на MWI, однако здесь нет разделения вселенных. Когда проводится измерение, лист прекращается в определенный момент времени, потому что измерительное устройство его разрушило (декогерировало).
Где бы мы ни находились в пятом измерении, это и есть история, в которой мы окажемся. Таким образом, это больше похоже на интерпретацию согласованных историй, но конкретная история определяется потоком в квантовом измерении, так что, в отличие от согласованных историй, здесь нет случайности. Это полностью детерминировано. Единственная неопределенность — это наша собственная относительно того, где мы находимся в пятом измерении.
Как и в согласованных историях, реальность не меняется, когда мы делаем измерение. Она продолжает быть реальностью, как и раньше, но две ее части: мы и измеренная нами частица, теперь взаимодействуют.
Пятое измерение совместимо со всеми квантовыми предсказаниями Одним из преимуществ этой интерпретации является то, что она математически согласуется с квантовой теорией, включая релятивистскую квантовую теорию поля, при условии принятия нескольких статистических допущений. Технически это эргодичность и эквивалентность микроканонического и канонического ансамблей. Это те же допущения, которые лежат в основе большинства равновесной статистической механики для газов, жидкостей и т.д. Я показал, как это можно сделать в недавней рецензируемой статье. Результаты этой статьи касаются скалярных полей, но могут быть распространены на другие с использованием пятимерных теорий, таких как теория Калуцы-Клейна, а также классической молекулярной динамики.
Во всех наших предсказаниях пятое измерение просто усредняется так же, как статистическая физика равновесия усредняет временное измерение, однако именно эта скрытая информация, где мы находимся в квантовом измерении, определяет, какой из всех ожидаемых результатов экспериментов на самом деле измеряется, а «суперпозиция» может рассматриваться как статистическое описание мирового листа.
Следствия для квантовой физики таковы, что, вместо того чтобы быть загадочной, интерпретация квантовой теории очень похожа на интерпретацию классических статистических теорий, но с одним дополнительным измерением. В классических статистических теориях мы знаем, что, скажем, коробка с частицами имеет только одно состояние в данный момент времени, но мы описываем её так, как будто она имеет все возможные состояния. Если мы посмотрим на отдельную частицу, однако, мы увидим только один из этих исходов. Добавив измерение, вы получите тот же результат, но также получите странные эффекты, такие как нелокальность.
Нелокальные эффекты (загадочное действие на расстоянии), конечно, объясняются в пятимерной теории как эволюция мировых линий частиц (которые являются нелокальными структурами) в квантовом измерении. Частица — это не просто точка. Это нить в пространственно-временном континууме.
Эти нити могут быть расширены до четырехмерных полей частиц, что позволяет создавать и уничтожать частицы, как в ускорителях частиц. Это то, что я сделал в своей статье, но здесь я в основном рассматриваю случай одномерной нити.
Когда мы движемся в пятом измерении, вся история каждой частицы может измениться, перемещаясь случайным образом между различными состояниями, как в ретрокаузальных теориях, где будущее влияет на прошлое и наоборот.
Это особенно верно, когда мы еще не провели измерение. Как только мы измерили частицу, она больше не может переключаться между случайными историями, и ретрокаузальность сильно ограничивается.
Пятое измерение разрешает парадокс EPR
Если рассмотреть классический мысленный эксперимент в этой области, эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена или парадокс EPR, можно увидеть, как пятимерная теория его разрешает.
В этом эксперименте, для которого я использую более простую версию Дэвида Бома, вы имеете пару электрон-позитрон, испущенную из какого-то источника, например, ускорителя частиц.
Я отправляю электрон к Алисе, а позитрон к Бобу.
Теперь Алиса измеряет спин электрона вдоль оси z (электроны, конечно, могут вращаться вдоль любой оси: x, y или z). Она может измерить +z или -z (спин вверх или спин вниз). Теперь, если она измеряет +z, мы знаем, что, если Боб измеряет спин позитрона вдоль оси z, он получит противоположный результат, -z. Если она получает -z, он получит +z. Таким образом, её измерение подтверждает, что он измерит до того, как он измерит.
Однако, если Алиса измеряет спин своего электрона вдоль оси z, а Боб затем измеряет другую ось, например, x, он получит +x или -x с вероятностью 50% каждый.
Кажется, что измерение, проведенное Алисой, должно быть передано от Алисы к Бобу. Нельзя предположить, что частица Боба имела противоположный спин всё время, потому что он получает это измерение только тогда, когда измеряет вдоль оси z, и случайный исход в противном случае. Однако, электрон может иметь только одно направление спина.
Посмотрим, как пятимерная теория решает эту проблему.
В этой теории полный путь каждой частицы от эмиттера к детектору является мировой линией и эволюционирует в пятом измерении как мировой лист. Этот мировой лист содержит все возможные измеряемые результаты, включая все возможные конфигурации спиновых состояний.
Когда Алиса проводит измерение, электрон взаимодействует с её аппаратом так, что его состояние в тот момент квантового времени и обычного времени измеряется. Точка в квантовом времени определяет, какая история частицы измеряется (поэтому этот подход напоминает согласованные истории).
Поскольку аппарат Алисы выбрал эту историю для частицы путем взаимодействия с электроном, эта же история должна быть отражена в позитроне Боба. Это потому, что совместное состояние электрона и позитрона эволюционирует в пятом измерении как одно поле, и измерения влияют на пару мировых линий так, как будто они одно целое.
Как только Алиса проводит измерение, эволюция этого совместного поля в квантовом измерении изменяется, и эта эволюция распространяется на все время и пространство, где это поле находится.
Лучшее из множества миров
Пятимерная интерпретация квантовой теории объединяет лучшее из интерпретации множества миров и согласованных историй в одну. Она лишена множества копий нас, как в MWI, а также постоянного разделения вселенных и изменения реальности при измерении. Она также лишена случайности согласованных историй. Она не вводит дополнительных полей, как в механике Бома, только дополнительное измерение, и она естественно обрабатывает создание и уничтожение частиц, без случайности. Таким образом, она кажется лучшей из множества интерпретаций, согласованной теорией одной вселенной, в которой нелокальное поведение отражается через взаимодействующие мировые линии, эволюционирующие в пятом измерении.
