Читать книгу Очарование мультивселенной. Параллельные миры, другие измерения и альтернативные реальности - Пол Халперн - Страница 3

Учитывая научную традицию, которая требует подвергать каждую теорию экспериментальной проверке, абсолютный реализм может показаться наиболее практичным подходом. Однако природа не так проста. Хотя в XVIII и XIX веках ньютоновская физика, известная также как классическая механика, обещала, что можно – по крайней мере теоретически – проследить траекторию любого объекта в наблюдаемом космосе, в начале XX века физическому сообществу пришлось отказаться от мысли, будто все можно измерить в любой момент.

Принцип неопределенности Гейзенберга, появившийся в квантовой механике в середине 1920‐х годов, отрицает саму такую возможность. Он утверждает довольно странную вещь: некоторые пары физических величин, например координаты и импульс (масса, умноженная на скорость) элементарной частицы, таковы, что чем точнее известна одна из них, тем более неопределенной становится другая. Если экспериментатор хочет получить точные результаты, ему приходится выбирать, какую характеристику измерить.

Фотографам часто требуется решить, какая часть изображения будет в фокусе – передний план или задний. В некоторых случаях на одном снимке с высоким разрешением невозможно добиться безупречной фокусировки на обоих планах одновременно. Если есть одна-единственная фотография события, а самая важная часть на ней размыта, доказательство теряет силу. К счастью, часто делается серия почти одновременных снимков, дающая полную картину – как раз для тех, кто требует «фото в студию».

Квантовая физика такой роскошью не располагает. Даже с самыми совершенными приборами экспериментаторы не могут одновременно измерить точные местоположение и импульс частицы. Более того, в сложных взаимодействиях, как показал известный американский физик Ричард Фейнман, частицы могут одновременно перемещаться из одной точки в другую по нескольким маршрутам[3], что легло в основу метода, названного суммированием по историям. В отличие от классической физики, в которой каждый объект движется по единственной предсказуемой траектории, в понимании Фейнмана поведение частицы складывается из множества различных путей, каждый из которых имеет свою вероятность. Мы наблюдаем лишь общий результат, а не альтернативные истории, которые в него вошли. Поэтому видимый нами мир принципиально содержит лишь часть полной информации о его потенциальных свойствах. Полный набор данных, называемых квантовыми состояниями, содержится в абстрактном пространстве неограниченной размерности, которое венгерско-американский математик Джон фон Нейман назвал гильбертовым пространством.

Следуя философским изысканиям титана современной физики Нильса Бора, фон Нейман в конце 1920‐х годов описал двухступенчатую схему для квантовых процессов. Она получила широкое признание и стала известна как копенгагенская интерпретация – в честь датского города, где Бор в своем институте собрал самых выдающихся мыслителей, занимавшихся квантовой физикой. Иногда ее также называют ортодоксальной интерпретацией.

На первой стадии процесса фон Неймана квантовые состояния развиваются в соответствии с объективными детерминистскими законами, хоть и в гильбертовом пространстве, а не в осязаемом мире. Описать такое развитие событий относительно легко.

Однако на втором этапе он ввел весьма своеобразную роль наблюдателей-людей. Проводя измерения определенного типа – например, определяя положение частицы – наблюдатели заставляют сложное квантовое состояние, охватывающее целый ряд возможных положений, коллапсировать с определенной вероятностью в одно из них. Исходное состояние, подобно карточному домику, схлопывается в тонкую стопку. Результатом становится единственное значение измеряемого свойства – например, точное местоположение электрона. Как ни странно, если бы был выбран другой способ наблюдения – скажем, измерялся бы импульс, а не координаты, – то полное квантовое состояние предложило бы выбор из набора возможных значений импульса и при измерении схлопнулось бы к одному из них. Таким образом, квантовая механика, согласно копенгагенской интерпретации, зависит от сознательного наблюдения, выделяющего конкретную характеристику и сужающего диапазон ее возможных значений.

Как отмечали Эрвин Шрёдингер, Альберт Эйнштейн и многие другие, одна из главных проблем такой интерпретации – искусственное разделение между наблюдаемым и наблюдателем. В конце концов, люди-наблюдатели тоже состоят из элементарных частиц. Что дает человеку (или другим сознающим субъектам) эту уникальную способность запускать квантовый процесс?

В одной из своих последних лекций Эйнштейн задался вопросом: разве мышь, наблюдающая за квантовой системой, не может измерить физическую характеристику и вызвать коллапс ее состояния? Почему только человек? Необходимость в разумном наблюдателе, по мнению Эйнштейна, была явной слабостью теории, которую требовалось заменить более объективным механизмом.

Выбрав другое животное, Шрёдингер в своем знаменитом парадоксе блестяще проиллюстрировал некоторые сложные дилеммы, связанные с квантовыми измерениями. Представьте себе кота, писал он, которого поместили в закрытый ящик вместе с радиоактивным атомом, имеющим 50-процентную вероятность распада в течение заданного промежутка времени, счетчиком Гейгера, подключенным к нему молотком и ампулой с ядом. Предположим, атом распался, это приведет в действие счетчик, молоток ударит по ампуле и разобьет ее, выпустит яд и убьет кота. Если же атом не распадется, кот будет спасен.

Согласно стандартной интерпретации квантовой механики, атом будет пребывать в смешанном квантовом состоянии (распавшемся и нераспавшемся) до тех пор, пока коробку не откроют. В этот момент разумный наблюдатель сможет произвести акт измерения этого состояния и вынудит его коллапсировать в одну из двух возможностей. А значит, пока коробка закрыта, бедный кот будет пребывать в зомбиподобном промежуточном квантовом состоянии между жизнью и смертью. Это явный абсурд, отметил Шрёдингер, поэтому нужно разработать более разумное описание квантовых процессов.

Более того, как отмечал американский физик Джон Уилер и другие, если квантовая механика универсальна, ее можно применить и к самой Вселенной. Теоретически космос как целое должен описываться квантовым состоянием невообразимой сложности. Но очевидно, что у Вселенной не может быть внешнего наблюдателя, запускающего коллапс ее единого квантового состояния[4].

Идея, будто природные процессы, происходящие миллиарды лет, зависят от сознательного наблюдения, действительно представляется весьма странной. Однако, как однажды сказал Бор австрийскому физику Вольфгангу Паули по совсем другому случаю:

Мы все согласны, что ваша теория безумна. Вопрос, по которому мы расходимся, заключается в том, достаточно ли она безумна, чтобы иметь шанс оказаться верной. На мой вкус, она недостаточно безумна[5].

Сам Бор не всегда руководствовался этим подходом и упорно отстаивал ортодоксальные представления о квантовой механике. Но другой мыслитель, Хью Эверетт, молодой аспирант Уилера в Принстоне, довел в 1950‐х годах эту теорию до еще большего безумия. Предложив убрать из квантовой картины человеческое вмешательство, Эверетт создал первую знаменитую модель мультивселенной. Таким образом, неправдоподобность общепринятого подхода лежала у самых истоков причудливых представлений о мультивселенной.

Изобретательная гипотеза Эверетта фактически отсекала второй шаг фон Неймана, словно заплесневелый кусок буханки хлеба. Утверждалось, что квантовые состояния на самом деле никогда не коллапсируют. Напротив, существует универсальная волновая функция, которая бесконечно эволюционирует, подобно вечно текущей реке со множеством рукавов. Как ни странно, даже после измерения и объекты наблюдения, и сами наблюдатели остаются в смешанных состояниях, охватывающих множество исходов и свидетелей. Все это происходит изолированно и бесшовно, как в отдельных кинозалах мультиплекса, в каждом из которых зрители смотрят свой фильм. Копия ученого из одной ветви никогда не узнает о тех, кто находится в других ветвях. Вселенная просто продолжает жить и развиваться, а параллельные нити, представляющие каждый возможный исход, сплетаются в прочную ткань реальности.

Например, если бы кто-то попытался провести эксперимент с котом Шрёдингера (как бы это ни было ужасно), никакой неоднозначности не возникло бы. В одном варианте реальности атом распадется, несчастный кот погибнет, а наблюдатель откроет ящик и будет оплакивать потерю. В другом атом останется целым, кот выживет, а другая, столь же реальная версия наблюдателя будет ликовать. Оба исхода сосуществуют во вселенском квантовом состоянии, из которого складывается реальность.

Уилер отправил один из вариантов диссертации Эверетта проницательному физику-гравитационисту Брайсу Девитту для публикации в журнале. Первоначально Девитт возражал против идеи расщепления наблюдателей, утверждая, что лично он никогда ничего подобного не испытывал. Эверетт ответил, что вращения Земли мы тоже не ощущаем. Девитт был впечатлен, проникся этой идеей и в итоге стал ее главным пропагандистом в последние десятилетия XX века. В работе, опубликованной в 1971 году, он назвал ее «многовселенская интерпретация квантовой механики», а впоследствии она стала широко известна как многомировая интерпретация (ММИ)[6]. Как бы странно ни звучала идея вечно ветвящихся Вселенных для такого прагматичного физика, она казалась ему куда менее абсурдной, чем представление, будто обычные люди – попросту скопления атомов – играют ключевую роль в функционировании природы. Его продуманная защита идеи, что нужно пойти еще более безумным путем, чтобы объяснить квантовые странности последовательным образом, привлекла широкий интерес к понятию мультивселенной.