Где живут коты? Многомировая теория Эверетта
Иллюстрация: Allison Filice quantamagazine.org Научный метод познания в общем и нормальная (классическая, как мы сейчас говорим) физика в частности привели ученых к идее детерминизма. Все на свете можно рассчитать, не полагаясь на неисповедимый замысел «высших существ»: есть ньютоновский абсолют, в котором все движется и взаимодействует по понятным законам, а истина – категория объективная, не зависящая от личных качеств и пристрастий наблюдателя. Действительно, если, например, измерять период колебаний маятника, то при равенстве длины и ускорения свободного падения (как вы помните, оно зависит от широты и гравитационных свойств местности) он везде будет одинаковым, независимо от места проведения. То же самое должно происходить и с другими экспериментами, основанными на общепринятой теории и корректно поставленными: расширением газа при нагревании, взаимодействием проводников с током или преломлением лучей света. Правда, с оптикой есть некоторые сложности. Если свет считать волной, то с интерференцией и дифракцией все более или менее ясно – несложные геометрические построения на основе принципа Гюйгенса позволяют все объяснить и предсказать новые эффекты, например, просветление оптики. Подтверждением волновой теории света стали результаты опыта, проделанного англичанином Томасом Юнгом в начале XIX века. На пути луча он поставил перегородку с двумя узкими щелями (отсюда – классический 2-щелевой эксперимент) и получил ожидаемую интерференционную картинку с максимумом как раз между этими щелями. Конечно, многое зависело от ширины прорезей, расстояния между ними, точности оборудования и т. д., но любой ученый, соорудив установку по описаниям Юнга, получал то же самое. Опыт Юнга о феномене двух щелей, который подтверждает волновую теорию света Отлаженная физическая «машина» мироздания «сломалась» через столетие. Настоящий шок испытали ученые Джордж Томсон, Клинтон Девисон и Лестер Джермер, когда зафиксировали дифракционную картину, созданную пучком электронов, прошедших сквозь кристаллическую решетку (аналог щелей в опыте Юнга). Обратите внимание: именно картинку дифракции, характерную для взаимодействия волн, а не частиц! Ученые из мира строгих и понятных закономерностей ступили в зыбкое пространство, населенное фантомами и химерами, в котором просто измерение длины – и то проблема. Это – квантовая механика! В ней нет простых и понятных соотношений типа II закона Ньютона. Главная закономерность – уравнение Шредингера, которое, по большому счету, ничего не решает однозначно, а только позволяет рассчитать вероятность того или иного состояния, в котором находится (или нет) микросистема. Планетарная модель атома, привычная по картинкам в учебниках, с этой точки зрения выглядит очень примитивно и похожа на оригинал так же, как бумажный самолетик – на истребитель пятого поколения! Вероятностный подход к поведению микрообъектов (так называемая копенгагенская интерпретация, выдвинутая Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом) глубоко возмущал самого Эйнштейна. «Бог же не играет в кости!» – в полемическом пылу восклицал автор теории относительности. Масла в огонь подлил еще один тезис: в микромире наблюдатель – полноправный участник акта измерения, напрямую влияющий на состояние системы! Это уже не лезло ни в какие ворота. Тогда же «замяукал» знаменитый кот Шредингера: виртуальное животное, состояние которого (жив/мертв) определялось действиями наблюдателя, поневоле становившегося вероятностным «палачом». На языке квантовой механики это называлось коллапсом волновой функции. Эйнштейна сильно задело крушение классического детерминизма: в микромире неопределенность не исходит от несовершенства приборов или методов измерения, а представляет собой принцип, встроенный в саму структуру вещества. К каким бы ухищрениям ни прибегал исследователь, ему не преодолеть определенный порог точности! А раз так, то и никакого однозначного решения уравнений, описывающих поведение, не существует: кот может быть и жив и мертв одновременно, и оба его состояния совершенно равноправны. Поэтому до последних дней Эйнштейн был убежден в «неполноценности» квантовой механики, считая, что неопределенность – следствие ее логической и математической незавершенности. Инфографика: Jen Christiansen peterbyrne.info Попытку избавить физику от проклятия неопределенности предпринял физик Хью Эверетт в 1957 году. Выдвинутые им идеи разрешали проблему коллапса волновой функции, подвергнувшейся воздействию наблюдателя. С чего же начал Эверетт? Пожалуй, с метафизических вывертов Катарины Эверетт, не слишком удачливой писательницы и по совместительству матери Хью. Беседы с ней пробудили интерес мальчика к точным наукам, и в 12-летнем возрасте он написал самому Эйнштейну, поделившись идеями по поводу забавной теоретической модели: что произойдет при попадании сверхсокрушающего пушечного ядра в нерушимый суперстолб? Великий ученый, отметив остроту ума и нестандартность мышления корреспондента, настоятельно посоветовал построить надежный научный фундамент в одном из ведущих университетов, а потом заняться более фундаментальными вопросами. Рекомендация Эйнштейна не пропала даром: alma mater Эверетта стал Принстон, а ведущим научным руководителем – знаменитый Джон Уилер, блестящий физик-теоретик и не менее успешный наставник, вырастивший целое созвездие выдающихся ученых, среди которых два нобелевских лауреата (Ричард Фейнман и Кип Торн). Впечатляют имена других преподавателей и коллег Эверетта. Так, квантовую механику он начал подробно изучать под руководством Роберта Дикке, а математическую физику – у Юджина Вигнера, будущего нобелевского лауреата. Маститые ученые подбирали себе студентов соответствующего уровня, но даже на их фоне Хью выделялся широтой кругозора и острым парадоксальным умом. Как вспоминал Эверетт, вечера проходили в яростных спорах с соседями по поводу самых животрепещущих проблем теоретической физики, в которых ему далеко не всегда удавалось убедить оппонентов в своей правоте. Остальное время Хью тратил на чтение научной фантастики и написание научных работ, в которых он пытался средствами математического аппарата квантовой механики избавиться от «проклятия наблюдателя». Хью Эверетт. Фото: UCI Libraries, ucispace.lib.uci.edu, sites.uci.edu Весной 1959 года Джон Уилер отправился в Копенгаген на встречу с Нильсом Бором. В число его спутников вошел и Эверетт, успевший к тому времени опубликовать несколько статей по квантовой механике. Поездка в Данию стала роковой: Бор, который неоднократно беседовал с Эвереттом в Принстоне, крайне резко отнесся к концепции универсальной волновой функции, не испытывающей коллапс. Позже в частной беседе Бор отозвался об Эверетте как о «неописуемом тупице (undescribably stupid), не понимающем элементарных вещей в квантовой механике». Не меньше был огорчен и Эверетт, с горечью заявивший, что беседа с Бором с самого начала была «полной безнадегой» (hell… doomed from the beginning). После этого Хью Эверетт к проблемам квантовой физики не обращался… Что же так возмутило выдающегося датского теоретика? В первую очередь то, что ему самому не хватило научной смелости интерпретировать собственную теорию настолько широко, как она того заслуживала. Подвели приверженность классическим воззрениям о независимости объекта измерения и наблюдателя и стремление объяснить механику квантового мира макроскопическими параметрами. Другими словами, Бор и его сторонники проводили четкую границу между микро- и макромирами, деликатно обходя фундаментальный вопрос о коллапсе волновой функции. А что предположил Эверетт? С одной стороны, уравнение Шредингера описывает изменение волновой функции во времени, а предсказываемая этим уравнением эволюция является гладкой и детерминированной. Появление «копенгагенского наблюдателя» приводит к коллапсу волновой функции, то есть ее разрыву, означающему, что она принимает строго одно из возможных значений. Получается, несмотря на то, что волновая функция предполагает множество состояний микросистемы, мы почему-то наблюдаем только одно. Эверетт предложил довольно элегантное решение этой проблемы: для сохранения корректности волновой функции нужно рассматривать не микросистему, а систему «микрообъект-наблюдатель», в которой не только частица ведет себя согласно волновому уравнению, но и экспериментатор! Только на таких условиях появится нормальное объяснение странному обстоятельству, при котором из мириада равноправных и почти равновероятных состояний мы получаем единственное, фиксируемое нашими приборами. Нильс Бор (в центре) встречается с Эвереттом (рядом справа) в Принстонском университете в ноябре 1954 года. Бор никогда не принимал многомировую интерпретацию Эверетта. Среди других аспирантов (слева направо) Чарльз Мизнер, Хейл Троттер и Дэвид Харрисон Фото: Alan Richards, AIP Emilio Segrè Visual Archives hphysicsworld.com Из этого смелого предположения, впрочем, не противоречащего фундаментальным закономерностям квантовой механики, следует парадоксальный вывод, до сих пор так и не признанный многими физиками старой школы: вероятностная «волна» захлестывает не только микрообъекты, но и нас с вами! Это значит, что тысячам возможных состояний электрона, пролетевшего сквозь дифракционную щель, соответствуют тысячи (!) наблюдателей, каждый из которых способен зафиксировать единственное конкретное состояние. Таким образом, каждый акт взаимодействия микрообъектов и экспериментатора порождает множество параллельных веток событий, подчиняющихся универсальной волновой функции. Подход Эверетта позволил избежать волнового коллапса и сохранить гладкость вероятностной волны без привлечения дополнительных логических «костылей»-допущений, оставшись полностью в рамках математического аппарата квантовой механики. Получается, наша Вселенная – вовсе не гигантский бассейн, заполненный пространственно-временным «киселем», в котором барахтается все сущее, а бесконечный резервуар своеобразной «пены» (подобной «квантовой пене» из крошечных «черных дыр», придуманной Джоном Уилером), каждый пузырек которой – своя ветка событий, совершенно независимая и недоступная для соседей. Работа Эверетта, к великому сожалению, прошла практически незамеченной. Ведущие теоретики посчитали его интерпретацию забавным логическим трюком, не имеющим серьезной физической основы. Такое отношение коллег так расстроило молодого ученого, что он забросил занятия теоретической физикой и предпочел сосредоточиться на прикладной математике. Попытки вернуть Хью Эверетта в ряды физиков-теоретиков провалились, о чем спустя много лет Джон Уилер с сожалением заметил: «Я бы очень хотел продолжить общение с ним. Поставленные им вопросы очень важны». Но выдающегося ученого, едва не совершившего революцию в физике, Хью Эверетта к тому времени уже не было в живых. И все же идеи непризнанного гения не пропали! В 2003 году шведский философ Николас Бострем опубликовал статью «Доказательства симуляции» (The simulation argument) в авторитетном «Международном философском ежеквартальнике» (International Philosophical Quarterly). В ней приводятся довольно любопытные доводы в пользу того, что наша Вселенная – всего лишь «песочница», программа-симулятор, запущенная в каком-то гиперкомпьютере сверхцивилизации, скорее всего негуманоидного типа. Но какой бы могучей ни была ЭВМ размером с галактику, даже ей не под силу просчитать все и вся, поэтому, например, коллапс волновой функции объясняется нехваткой вычислительной мощи: пока на электрон никто не смотрит, его можно моделировать в виде размазанного вероятностного облака, но как только частица попала в поле зрения прибора, то вычислительные ресурсы бросаются на ее «рендеринг», реализуя единственное из миллиардов возможных состояние. Думатель. archaeogaming.com В книге Дугласа Адамса «Путеводитель для путешествующих автостопом по галактике» все герои ждали ответа на «Главный вопрос жизни, Вселенной и всего такого». Этот ответ должен был решить все проблемы Вселенной. Он был найден после 7,5 млн лет вычислений на специально созданном компьютере – Думателе. Оказалось, что ответ на вопрос – «42». К неожиданному выводу в 2012 году пришли теоретики Силас Бин (Silas Beane), профессор Института ядерной теории из Сиэтла, Зохре Давоуди (Zohreh Davoudi) из Боннского университета и профессор Вашингтонского университета Мартин Сэвидж (Martin Savage). Основываясь на математических моделях квантовой хромодинамики и всем знакомом законе Мура, они пришли к выводу, что при сохранении нынешних темпов развития вычислительной техники всего через 400 с небольшим лет у человечества появится возможность моделировать Вселенную со всем содержимым, включая разумы ее обитателей. А профессор Оксфордского университета Влатко Ведрал (Vlatko Vedral), отчасти «британский ученый» (серб по происхождению), и американец Сет Ллойд (Seth Lloyd) из Массачусетского технологического института вообще считают, что наша Вселенная и есть тот самый суперкомпьютер. Что он вычисляет? Очень хочется верить, что не «42».
