Множественные миры квантовой механики
Традиционно в современной космологии Мультивселенная рассматривалась вне связи с многомировой интерпретацией квантовой механики. Однако недавно некоторые авторы предложили связать их. Давайте посмотрим, какой может быть эта связь.
Для нас важно провести четкое различие между математической моделью, которая позволяет использовать квантовую теорию в вычислениях, и онтологической интерпретацией, которая объясняет, что эта теория может сказать нам о реальном мире. Первое — это физика. Второе — метафизика.
Квантовая модель, которая была в значительной степени разработана уже в 1930-е, чрезвычайно преуспела в описании поведения материи в экстремальных условиях — на близких расстояниях, при низких температурах и высоких плотностях. Но из-за того, что методология квантовой механики радикально отличается от методологии классической физики, которая до сих пор отлично работает в других областях, не прекращается вечная дискуссия о том, что все это значит.
В отличие от классических моделей, таких как ньютоновская механика или теория относительности Эйнштейна (которую в данном контексте можно считать классической), квантовая модель не может предсказать, где будет находиться частица через какое-то время, а может только определить вероятность того, что она окажется в определенной области пространства. Вероятность на единицу объема считается равной квадрату амплитуды математического объекта, называемого волновой функцией, или, в более общем смысле, вектором состояния (см. главу 6).
В 1920-е Нильс Бор и Вернер Гейзенберг сформулировали то, что сейчас называется копенгагенской интерпретацией квантовой механики. Хотя за многие годы теория претерпела бесчисленные изменения и принимала многие формы, долгое время копенгагенская интерпретация лучше всего подходила на роль общепринятого философского представления о смысле квантовой механики. Поскольку она имеет множество вариаций, часть из которых получили другие имена, я не буду пытаться представить исчерпывающий обзор, а лучше остановлюсь на нескольких основных идеях, общих для большинства интерпретаций, которые более или менее совпадают с копенгагенской.
В основе этих интерпретаций лежит фундаментальная предпосылка, что отдельные физические события не предопределяются законами физики, как в ньютоновской механике, а происходят спонтанно. Однако статистическое поведение групп похожих событий предопределено, и именно это описывает математическая модель.
Например, если атом в возбужденном состоянии переходит в более низкое энергетическое состояние и испускает фотон, это конкретное событие не предопределено, что на практике значит, что оно непредсказуемо. Однако интенсивность конкретной линии спектра, которая образуется от большого количества фотонов, участвующих в таком же переходе, может быть вычислена точно.
Аналогично ни одна существующая теория не может предсказать, что конкретное радиоактивное ядро распадется в определенный момент, но гипотеза о том, что такой распад может с равной вероятностью произойти в любой момент заданного временного интервала, дает «закон» экспоненциального радиоактивного распада, который соблюдается с исключительной точностью, По сути, и этот результат, и описанный ранее случай изомерного перехода обеспечивают строгие эмпирические свидетельства того, что эти процессы не предопределены. То есть эти события случайны не из-за нашего невежества. Они действительно случайны.
Для нашего разговора о множественных мирах принципиально, что копенгагенская интерпретация считает измерительные приборы классическими системами, поэтому акт измерения представляет собой переход от квантовой физики к классической, который не описывается теорией, но подразумевается при акте измерения. До того как измерено положение частицы, волновая функция дает вероятности для области пространства, о которой известно, что в ней находится частица. Если ничего не известно, частица может быть где угодно во Вселенной. После измерения становится известно, что частица находится в пределах детектора, и говорят, что волновая функция мгновенно схлопывается, давая новую вероятность. Это проиллюстрировано на рис. 15.3.
Эйнштейн возражал против самой идеи мгновенного схлопывания волновой функции, называя его «жутким дальнодействием»{348}. Схлопывание волновой функции должно происходить быстрее скорости света, по сути, с бесконечной скоростью.
Большинство распространенных интерпретаций квантовой механики обычно называют детерминистическими в том смысле, что статистические вероятности, которые даются волновой функцией или вектором состояния, предопределены в теории подобно тому, как движение частицы предопределено в ньютоновской механике. Однако в данном случае статистически определено коллективное поведение ансамбля идентичных систем, а не поведение отдельной системы. Я предпочитаю называть квантовую механику недетерминистической.
Рис. 15.3. Иллюстрация коллапса волновой функции электрона. После прохождения через большое отверстие в экране волновая функция распределена по области пространства размером примерно с отверстие. После измерения она схлопывается до размера детектора. Следует отметить, что в данном примере электрон имел равную априорную вероятность обнаружения на А и на Б. Авторская иллюстрация
Теперь давайте рассмотрим некоторые альтернативные точки зрения. В 1950-е Дэвид Бом предложил интерпретацию квантовой механики, основанную на значительно более ранней идее Луи де Бройля, в которой движение частиц предопределено. Это движение управляется скрытыми субквантовыми силами, которые де Бройль назвал «волнами-пилотами»{349}. Хотя модель, основанная на этой интерпретации, в принципе детерминистична, она не предсказывает движение отдельных частиц. Она дает все те же статистические предсказания, что и все остальные интерпретации{350}.
В своей докторской диссертации 1957 года, защищенной в Принстонском университете, Хью Эверетт III представил блестящую новую математическую формулировку квантовой механики. В ней он исключил искусственное разграничение между сферами действия квантовой и классической физики, которое существовало в копенгагенской интерпретации, а также отделался от коллапса волновой функции{351}. И то и другое было значительным улучшением. Формулы Эверетта включали детектор вместе с наблюдаемым объектом в полную квантовую систему и заключали в себе все возможные результаты эксперимента.
В то время как математика Эверетта была безукоризненна, другие авторы попытались придать модели философскую интерпретацию, в которой при каждом акте измерения Вселенная (на самом деле) разделяется на две отдельные несвязанные вселенные{352}. Она получила известность как многомировая интерпретация квантовой механики.
Рассмотрим ситуацию, показанную на рис. 153. Электрон может быть с равной вероятностью обнаружен на А или на Б. Вместо коллапса волновой функции математические формулы Эверетта считают обе возможности реализованными. В онтологической многомировой интерпретации эти два события происходят в отдельных вселенных, или мирах. В одном мире электрон сталкивается с А. В другом мире он сталкивается с Б. Если вероятность столкновения с А равна 3/4, а с Б — 1/4, то мы имеем четыре мира, в трех из которых электрон сталкивается с А, а в одном — с Б. Таким образом объясняется статистическая природа квантовой механики.
Действительно, при каждом измерении можно представить себе, как Вселенная расщепляется на много вселенных, по одной на каждый возможный результат эксперимента. Тем не менее мы снова получаем онтологическую установку, которая предсказывает те же эмпирические и статистические результаты, что и все остальные интерпретации квантовой механики.
Еще будучи студентом магистратуры Принстонского университета в 1940-х, Ричард Фейнман предложил математическую формулировку квантовой механики, названную суммированием по путям. Она заметно отличалась от моделей, которые в то время считались стандартными. (Разве это не чудесно, что в физике студенты магистратуры могут решить задачи, с которыми не справляются их более опытные и куда более высокооплачиваемые преподаватели?) В модели Фейнмана волновая функция и вектор состояния вообще отсутствуют, хотя они и могут быть выведены из нее.
В традиционной классической процедуре путь частицы вычисляется с помощью какого-нибудь уравнения движения, или, что то же самое, принципа (например, принципа наименьшего действия). В квантовой картине мира, предложенной Фейнманом, предполагается, что частица проходит все возможные пути между источником и детектором. В этом случае вероятность определенного акта наблюдения составляется из всех возможных путей, которые могли привести к наблюдению. Хотя суммирование по путям оказалось очень практичным и приобрело популярность среди специалистов в области элементарных частиц, оно опять же давало те же эмпирические результаты.
Фейнман никогда не пытался дать своей модели онтологическую интерпретацию. В книге «Вневременная реальность» я показал, как это понятие можно овеществить при помощи обращения времени{353}. Хотя Эверетт не ссылается на Фейнмана и их математические аппараты различаются, идеи Эверетта и Фейнмана тождественны, а именно: включить в формулу все, что может произойти. Но обратите внимание: если существуют эмпирически непротиворечивые модели, в которых происходит все, что может произойти, это еще не значит, что все действительно происходит в объективной реальности.
Существуют и другие интерпретации квантовой механики, в том числе варианты идеи Фейнмана, которые не настолько экстравагантны, как многомировая. Проблема разных интерпретаций в том, что некоторые из них, в частности многомировая, находятся на грани метафизики. Все они согласуются с данными (иначе от них быстро отказываются), но ни одна не дает уникальных прогнозов. Поэтому мы никак не можем использовать главный принцип научного метода, эмпирическую проверку интерпретаций, чтобы выбрать лучшую из них. Поскольку методология вычислений, которую мы называем квантовой теорией, по-прежнему согласуется со всеми наблюдениями, многие мои коллеги-экспериментаторы устали от всей этой дискуссии и спрашивают: «Так что в этом нового?»
Авторы недавних публикаций отметили возможное применение многомировой интерпретации в космологии. Вспомните раздел о Бивселенной ранее в этой главе. Я писал, что так называемая волновая функция Вселенной дает вероятность обнаружения Вселенной с определенными свойствами. Если применить многомировую интерпретацию квантовой механики, то волновая функция Вселенной представляет собой множество параллельных вселенных. Выдающийся специалист в теории струн Леонард Сасскинд и другие предположили, что этот ансамбль вселенных можно связать с множественными вселенными космологической Мультивселенной, которую Сасскинд называет мегавселенной{354}.