Мультивселенная может быть гораздо больше, чем мы можем себе вообразить, - гласит новая теория квантовой механики, которая описывает множество параллельных вселенных, образующихся при каждом нашем действии. Но что именно представляет собой эта волновая функция? После почти столетия споров физики по-прежнему расходятся во мнениях о том, как именно совершить "переход" от математики к осязаемому, физическому миру.Мультивселенная может быть намного, намного больше и сложнее, чем мы можем себе представить. Новый способ интерпретации неуловимой части квантовой механики может в корне изменить наше представление о реальности. The many-more-worlds interpretation enlarges the multiverse Shutterstock/vchal
Согласно наиболее распространенному токлованию квантовой механики, известной как копенгагенская интерпретация, волновая функция математически описывает все возможные состояния объекта до того, как он будет "замечен", что оставляет его в неопределенном состоянии, "схлопывая" волновую функцию.
Например, в мысленном эксперименте "Кот Шредингера" кошку помещают в ящик, который наполнится ядовитым газом при разрушении атома. Поскольку поведение атома является квантово-механическим, когда ящик закрыт, волновая функция кота одновременно сохраняет и живое, и мертвое состояния. Когда наблюдатель открывает коробку, волновая функция схлопывается, и кошка оказывается либо мертвой, либо живой, при этом второй вариант развития событий исчезает. С этого момента ее поведение становится полностью неквантовым, или классическим.
Множество миров
Возможно довольно сложно представить одновременно живую и мертвую кошку, но другой взгляд на квантовую механику, разработанный физиком Хью Эвереттом в 1950-х годах, приводит к еще более поразительным выводам. В соответствии с интерпретацией "множества миров" волновая функция не распадается только на одно определенное, классическое состояние, потому что каждое квантовое состояние, которое она содержит, уже вполне реально - в одном из множества параллельных миров. Когда вы открываете коробку и наблюдаете живую кошку, ваша копия в другом мире только что обнаружила ее мертвой, и "акт созерцания" по сути порождает два отдельных мира.
Но какой бы точки зрения вы ни придерживались, остается открытым важный вопрос: как это становление того, что мы воспринимаем как классическое поведение, в целом относится ко Вселенной?
"Все звезды, галактики, планеты, жизнь - все это началось как квантовые флуктуации в очень, очень ранней Вселенной. По мере расширения Вселенной они в конце концов стали классическими", - говорит Арсалан Адил из Калифорнийского университета в Дэвисе. "Квантовая теория действительно хорошо изучена, поэтому мы согласны с тем, что она, в некотором смысле, является правильной теорией, но мы хотели бы понять, как из этого возникает классический мир".
Одна из проблем копенгагенской и многомировой интерпретаций заключается в том, что именно считать "наблюдателем". Это особенно актуально для ранней Вселенной, когда не было ничего и никого, кто мог бы вести наблюдения. Пытаясь решить эту проблему, Адил и его коллеги начали с менее антропоцентричной задачи - изучения совокупностей частиц. Причем поведение каждой частицы определяется тем, как энергия структурирована между всеми частицами в системе.
"Мы — это большие, теплые объекты, которые привыкли взаимодействовать с другими большими, теплыми объектами, хорошо локализованными в пространстве. Мы выстраиваем некую научную теорию, основанную на этих вещах. Но можно повернуть все с точностью до наоборот и сказать, что то, что Вселенная на самом деле предлагает нам в самом сыром виде, избавившись от нашей человеческой перспективы, — это просто некая энергетическая структура", - говорит член команды Зои Холмс из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне.
Избавившись от необходимости учитывать конкретных "наблюдателей", команда разработала алгоритм, определяющий способы разделения этих систем частиц на субсистемы. Любая подсистема считается допустимым взглядом на мир, если взаимодействие между подсистемами приводит к тому, что одна из них становится классической - по сути, это гораздо более общая версия открытия ящика в мысленном эксперименте Шредингера. "В одной подсистеме может находиться часть Земли и галактика Андромеды, и это вполне легитимная подсистема", - говорит Арсалан.
Эта новая точка зрения позволит открыть мириады новых миров, выходящих за рамки простого понятия "мертвый-живой", поэтому исследователи назвали ее "многомировой интерпретацией" (many-more-worlds interpretation).
Эта новая точка зрения позволит открыть мириады новых миров, выходящих за рамки простого понятия "мертвый-живой", поэтому исследователи назвали ее "многомировой интерпретацией" (many-more-worlds interpretation). Чтобы понять, как это работает, рассмотрим квантовую модель принятия решения о том, что вы будете пить за завтраком - чай или кофе. Согласно копенгагенской интерпретации, вы принимаете решение, и волновая функция разрушается. Если затем вы решаете, что лучше съесть - тосты или хлопья, - коллапсирует вторая волновая функция. Все это происходит в рамках единственной существующей вселенной.
Однако в многомировой интерпретации вы, желающий кофе, и вы, предпочитающий чай, существуете в параллельных мирах, и каждый из этих миров снова разделится на два в зависимости от того, что вы решите съесть (см. рис "Квантовая точка зрения", ниже).
Квантовая точка зрения. Различные интерпретации квантовой физики приводят к поразительным выводам: от влияния наблюдателей на реальность до появления множества альтернативных вселенных. Новая интерпретация рассматривает множество способов, которыми можно разделить квантовую систему (здесь это представлено разветвлениями между четырьмя оранжевыми точками). При каждом таком разделении возникает целое множество альтернативных вселенных.
Согласно многомировой интерпретации, взаимодействие между вами и вашим завтраком порождает одно "царство", состоящее из множества миров, но еще больше царств миров возникает в результате менее интуитивного разделения вашего мира на подсистемы, например вашей чашки и какого-нибудь далекого небесного объекта. Или еще более странного причисления вашей левой руки к одной подсистеме, а правой - к другой. При наличии большего количества перспектив, каждая из которых порождает множество новых миров, чистый эффект заключается в расширении и без того обширной мультивселенной в интерпретации Эверетта.
Паоло Занарди из Дорнсайфского университета Южной Калифорнии говорит, что новая интерпретация достигает "своего рода операционной демократизации" между способами сегментирования реальности, поскольку она не запрещает никаких разделений подсистем только потому, что они странные или контринтуитивные. Однако алгоритм, с помощью которого исследователи пытаются отыскать разделение субсистем, все еще содержит некоторые допущения. Например, о том, сколько времени требуется для того, чтобы субсистема превратилась в классическую. Так что, еще есть простор для математического исследования и доработки этой идеи, говорит он.
"Это хороший, серьезный, полезный вклад в постоянно пополняющуюся коллекцию научных работ о том, как взять "голые кости" квантовомеханической теории и извлечь из нее нечто, напоминающее наш классический мир", - говорит Шон Кэрролл из Университета Джонса Хопкинса в Мэриленде.
Кэрролл также изучает возможность разделения квантовых систем на подсистемы. Он обнаружил, что достоверные подсистемы, приводящие к соответствующим классическим описаниям миров, встречаются реже, чем то многообразие миров, которое предлагают Адил, Холмс и их коллеги. Это может быть связано с тем, что существуют несколько способов количественной оценки того, когда именно система становится неквантовой настолько, чтобы считаться классической, говорит он.
Хотя эти вопросы еще предстоит решить, как именно расширенная мультивселенная может повлиять на наше понимание реальности, остается загадкой даже для команды. Адиль говорит, что он и его коллеги в настоящее время "агностически относятся к онтологическим выводам" относительно того, что им удалось обнаружить на данный момент. В свою очередь Холмс рассказывает, что, когда она настроена скептически, ее беспокоит, что эта работа скорее похожа на поиск иллюзорных образов в потемках, чем на отражение реальности.
Тем не менее оба исследователя не могут избавиться от мысли, что они наткнулись на что-то значимое и хотят продолжить исследования.
"Я бы сказал, что мы знаем, что это правда, но не знаем, насколько это важно", - говорит Холмс. "У нас было столько дискуссий по этому поводу, что нам кажется - мы попали в замкнутый круг".