Превосходя научную фантастику
Значение работы Эверетта, опубликованной в 1957 году, заключается в том, что он взял эту, казалось бы, возмутительную идею и поставил ее на крепкий математический фундамент, используя доказанные законы квантовой теории. Одно дело рассуждать о природе Вселенной, но совсем другое – облечь эти рассуждения в полную, самодостаточную трактовку реальности. Конечно, Эверетт был не первым, кому это пришло в голову, но он, похоже, разработал свои идеи совершенно самостоятельно, не попав под влияние любых более ранних предположений о множественных реальностях и параллельных мирах. Большая часть этих ранних рассуждений – и множество тех, которые появились после 1957 года, – действительно оказалась на страницах научно-фантастических книг. Самая ранняя трактовка, которую я смог обнаружить, принадлежит Джеку Уильямсону и высказана в романе «Легион времени», впервые опубликованном в 1938 году.
Местом действия многих научно-фантастических историй становится «параллельная» реальность, в которой Юг победил в американской Гражданской войне или Испанская армада смогла завоевать Англию и так далее. В некоторых описываются приключения героя, который путешествует во времени, перемещаясь из одной альтернативной реальности в другую; другие непонятным языком объясняют, как такая альтернативная реальность может отколоться от нашей собственной. В оригинальном романе Уильямсона речь идет о двух альтернативных мирах, ни один из которых не обладает конкретной реальностью, пока что-то не происходит в прошлом – в тот момент, когда происходит разделение миров (в этой истории есть и «обычный» рассказ о путешествиях во времени, и действие замыкается в круг, как и сам аргумент). В идее слышится эхо редукции волновой функции, описанной в классической Копенгагенской интерпретации, а знакомство Уильямсона с новыми идеями 1930-х годов становится очевидным из отрывка, в котором герой объясняет, что происходит:
|
|
|
При замене волн вероятности на конкретные частицы мировые линии объекта перестают быть фиксированными и прямыми путями, которыми они были прежде. Геодезия допускает бесконечное количество вариаций возможных ветвей, оставляя это на усмотрение субатомного индетерминизма.
Мир Уильямсона – это мир призрачных реальностей, где разворачивается действие героического романа. Одна из этих реальностей редуцируется и исчезает, когда принимается важнейшее решение, а другой призрак становится настоящей реальностью. Мир Эверетта – это мир многих настоящих реальностей, в котором все миры одинаково реальны и в котором – увы! – даже герои не могут перемещаться из одной реальности в соседнюю. Но версия Эверетта – это научный факт, а не научная фантастика.
|
|
|
Рис. 11.1. Фраза «параллельные миры» предполагает, что альтернативные реальности располагаются бок о бок в «сверхпространстве-времени». Эта картина ошибочна.
Рис. 11.2. На более точной картине Вселенная постоянно делится, как ветвистое дерево. Но эта картина все равно ошибочна.
Давайте вернемся к фундаментальному эксперименту квантовой физики – опыту с двумя прорезями. Даже в рамках классической Копенгагенской интерпретации, хотя это понимают немногие квантовые кулинары, интерференционная картина, получающаяся на экране, когда через аппарат проходит всего одна частица, объясняется интерференцией двух альтернативных реальностей, в одной из которых частица проходит сквозь прорезь А, а в другой – сквозь прорезь В. Смотря на прорези, мы замечаем, что частица проходит только через одну из них и интерференции нет. Но как частица выбирает, через какую прорезь пройти? Согласно Копенгагенской интерпретации, ее выбор случаен и соответствует квантовым вероятностям – Бог все же играет в кости с Вселенной. Согласно многомировой интерпретации, частица не выбирает. При необходимости сделать выбор на квантовом уровне не только сама частица, но и вся Вселенная раскалывается на два варианта. В нашей Вселенной частица проходит через прорезь А, в другой – через прорезь В. В каждой из вселенных существует наблюдатель, который видит, что частица проходит только через одну прорезь. Две вселенные навсегда разделены и совершенно не взаимодействуют – поэтому и не возникает интерференции на экране эксперимента.
|
|
|
Умножьте эту картину на число квантовых процессов, происходящих постоянно во всех регионах Вселенной, – и вы примерно поймете, почему классические физики оставляют эту идею без внимания. И все же, как выяснил двадцать пять лет назад Эверетт, это логичное, самодостаточное описание квантовой реальности, которое не вступает в конфликт ни с одним экспериментальным или наблюдаемым свидетельством.
Несмотря на безупречную математику, новая интерпретация квантовой механики, предложенная Эвереттом, едва пустила рябь, упав в 1957 году в бассейн научного знания. Вариант этой работы[65] появился в журнале Reviews of Modern Physics вместе со статьей[66]Уилера, привлекающей внимание к значимости трактовки Эверетта. Однако идеи так и остались в тени, пока их спустя более десяти лет не подхватил Брайс Девитт из университета Северной Каролины.
|
|
|
Непонятно, почему понадобилось так много времени, чтобы кто-то стал развивать эту концепцию, пусть и так незначительно, как в 1970-х годах. Помимо представления сложных математических вычислений, в своей статье для Reviews of Modern Physics Эверетт детально объяснил, что аргумент о том, что разделение Вселенной на множество миров не может быть реальным, так как мы с этим никогда не сталкивались, не выдерживает никакой критики. Все отдельные элементы в суперпозиции состояний подчиняются волновому уравнению, проявляя полное равнодушие к реальности остальных элементов, и абсолютное отсутствие какого бы ни было влияния одной ветви на другую подразумевает, что ни один наблюдатель никогда не может знать о процессе разделения. Утверждать обратное – это все равно что утверждать, будто Земля не может находиться на орбите вокруг Солнца, поскольку, если бы это было так, мы бы чувствовали ее движение. «В обоих случаях, – говорит Эверетт, – сама теория предсказывает, что наш опыт будет именно таким, какой он и есть».
Превосходя Эйнштейна?
В случае многомировой интерпретации теория концептуально проста и обычна и делает предсказания, соответствующие нашему опыту. Уилер постарался, чтобы новая идея оказалась замеченной:
Сложно объяснить, насколько убедительно формулировка «относительного состояния» превосходит классические идеи. На этом этапе изначальное неудовольствие можно сравнить с несколькими моментами истории: когда Ньютон описал гравитацию посредством чего-то столь несообразного, как действие на расстоянии; когда Максвелл описал нечто столь естественное, как действие на расстоянии, с позиции столь неестественной, как теория поля; когда Эйнштейн отрицал преобладающий характер любой системы координат… в остальной физике нет ничего сравнимого с этим, за исключением принципа в общей теории относительности, в соответствии с которым все системы координат в равной степени оправданны[67].
«Помимо концепции Эйнштейна, – заключил Уилер, – нет ни одной самодостаточной системы, способной объяснить, что получается при квантовании замкнутой системы вроде вселенной общей теории относительности». Сильно сказано, но интерпретация Эверетта страдает от одного серьезного дефекта, который мешает ей потеснить Копенгагенскую интерпретацию с завоеванных в физике позиций. Многомировая версия квантовой механики делает в точности те же самые предсказания, как и Копенгагенский вариант, когда речь идет о вероятных результатах любого эксперимента или наблюдения. В этом и ее сила, и ее слабость. Так как Копенгагенская интерпретация ни разу не признавалась неполноценной с этой практической точки зрения, любая новая интерпретация должна давать те же самые «ответы», какие дает Копенгагенская трактовка, чтобы пройти проверку, – и интерпретация Эверетта успешно проходит этот первый тест. Но она только совершенствует Копенгагенский вариант, избавляясь от, казалось бы, парадоксальных характеристик эксперимента с двумя прорезями и тестов вроде тех, которые были разработаны Эйнштейном, Подольским и Розеном. С точки зрения всех квантовых кулинаров, разница между двумя интерпретациями почти незаметна, а потому естественным кажется стремление зацепиться за привычную трактовку. Для того же, кто изучал мысленные эксперименты ЭПР и всяческие проверки неравенства Белла, интерпретация Эверетта гораздо более привлекательна. Согласно интерпретации Эверетта, наш выбор того, какую из компонент спина измерить, не заставляет компоненту спина другой частицы, находящейся на другом конце Вселенной, магическим образом принять комплементарное состояние, он определяет, в какой из ветвей реальности мы живем. В этой ветви сверхпространства спин другой частицы всегда является комплементарным тому спину, который мы измерили. Наш выбор определяет, какой из квантовых миров мы измеряем в процессе экспериментов – а следовательно, и населяем, – а не случайность. Когда все возможные результаты эксперимента реальны и каждый из них наблюдается своим набором наблюдателей, нечего удивляться, что наблюдаемое нами является одним из возможных результатов опыта.
Второй взгляд
Многомировая интерпретация квантовой механики практически нарочно игнорировалась сообществом физиков до тех пор, пока за эту идею в конце 1960-х годов не взялся Девитт, сам написавший об этой теме и давший своему аспиранту Нилу Грэму задание расширить работу Эверетта и сделать эти наработки основой докторской диссертации. Как пояснил Девитт в своей статье[68] в журнале Physics Today, опубликованной в 1970 году, интерпретация Эверетта становится привлекательной сразу же после применения ее к парадоксу с котом Шрёдингера. Не нужно больше терзаться задачей о коте, который одновременно и жив, и мертв и ни жив, ни мертв при этом. Напротив, мы знаем, что в нашем мире в ящике есть кот, который либо жив, либо мертв, и что в соседнем мире существует другой наблюдатель с таким же ящиком с котом, который тоже либо жив, либо мертв. Однако если Вселенная «постоянно расщепляется на громадное число ответвлений», то «каждый квантовый переход, происходящий на каждой звезде в каждой галактике, в каждом отдаленном уголке Вселенной, расщепляет наш локальный мир на Земле в мириады собственных копий».
Девитт вспоминает, как испытал шок, впервые столкнувшись с этой концепцией, с «идеей о 10100 слегка несовершенных копий одного состояния, которые постоянно расщепляются на другие копии». Однако его убедили собственная работа, диссертация Эверетта и новое изучение этого явления, проведенное Грэмом. Он даже задумался, как далеко может зайти такое расщепление. В конечной Вселенной – а существует достаточно оснований считать Вселенную конечной, если общая теория относительности верно описывает реальность[69], – должно быть лишь конечное число «ветвей» на квантовом дереве и в сверхпространстве может просто не хватить места, чтобы вместить еще более странные варианты, тонкую структуру того, что Девитт называет «мирами маверика», – реальности с странно искаженными моделями поведения. В любом случае, хотя строгая интерпретация Эверетта утверждает, что все возможное действительно происходит в одной из версий реальности, где-то в сверхпространстве, это не то же самое, что утверждение о том, что может произойти все, что возможно вообразить. Мы можем представить себе невозможные вещи, и им нет места в реальных мирах. Даже если бы в мире, в котором все другое идентично нашему миру, существовали бы свиньи с крыльями (которые во всем остальном не отличались бы от обычных свиней), они не могли бы летать. Какими бы могущественными ни были супергерои, они не могут проскользнуть сквозь трещины во времени и посетить альтернативные реальности, хотя научные фантасты и пишут о последствиях таких событий. И так далее.
Заключение Девитта настолько же драматично, как и более раннее заключение Уилера:
Взгляд на мир с позиций Эверетта, Уилера и Грэма поистине впечатляет. И в то же время это совершенно каузальный взгляд, который бы принял, наверное, даже Эйнштейн… он лучше всего подходит на роль конечного пункта программы интерпретации, которую в 1925 году запустил Гейзенберг.
Возможно, здесь стоит заметить, что сам Уилер позже выразил сомнения по поводу всего этого. На конференции в честь столетия со дня рождения Эйнштейна он так ответил на вопрос о многомировой теории: «Должен признаться, что я с неохотой вынужден был перестать поддерживать эту точку зрения, хоть вначале и выступал за нее, поскольку, боюсь, она несет в себе слишком много метафизического»[70]. Это не стоит воспринимать как дискредитацию интерпретации Эверетта.
Тот факт, что Эйнштейн изменил свое мнение о статистической основе квантовой механики, не дискредитирует эту интерпретацию. Также это не означает, что сказанное Уилером в 1957 году больше не является правдой. Но и сейчас, в 2012 году, кроме теории Эверетта, нет ни одной самодостаточной системы идей, которая могла бы объяснить квантование Вселенной. Однако изменение во мнении Уилера показывает, насколько многим людям трудно принять многомировую теорию. Лично меня метафизическое содержание тревожит гораздо меньше, чем Копенгагенская интерпретация эксперимента Шрёдингера с котом или требование того, чтобы в «фазовом пространстве» было в три раза больше измерений, чем частиц во Вселенной. Эти концепции не более странны, чем другие кажущиеся нам знакомыми из-за их широкого обсуждения понятия, и многомировая интерпретация дает нам новые идеи о том, почему Вселенная, в которой мы живем, устроена именно так. Эта теория еще далека от того, чтобы можно было отбросить ее, и она по-прежнему требует серьезного внимания.
Превосходя Эверетта
Сегодня космологи радостно рассуждают о событиях, произошедших сразу после появления Вселенной в Большом взрыве, и рассчитывают реакции, протекавшие, когда возраст Вселенной составлял менее 10-35 секунды. В этих реакциях участвовал вихрь частиц и излучения, образовывались пары и происходили аннигиляции. Предположения о том, как протекали эти реакции, основываются на сочетании теории и экспериментального наблюдения взаимодействия частиц в гигантских ускорителях наподобие того, который находится в ЦЕРНе в Женеве. В соответствии с этими расчетами те законы физики, которые мы получили на основе наших крошечных экспериментов здесь, на Земле, могут логически и связно объяснить, как Вселенная перешла из состояния почти бесконечной плотности в состояние, которое мы наблюдаем сегодня. Теории даже пытаются предсказать равновесие между материей и антиматерией во Вселенной, а также между материей и излучением[71]. Каждый, кто интересуется наукой, каким бы слабым и мимолетным ни был этот интерес, слышал о теории Большого взрыва, которая объясняет происхождение Вселенной. Теоретики с готовностью играют с числами, описывающими события, которые, судя по всему, произошли в считаные доли секунды около 14 тысяч миллионов лет назад. Но кто сегодня задумывается о том, что на самом деле означают эти идеи? Попытка понять следствия этих идей просто невероятна. Кто может понять, что являет собой число вроде 10-35 секунды, не говоря уж о том, чтобы свыкнуться с природой Вселенной, существовавшей на тот момент всего 10~35 секунды? Ученым, которые имеют дело с такими удивительными крайностями природы, не должно быть чересчур сложно взглянуть на ситуацию шире и принять концепцию параллельных миров.
Фактически это меткое выражение, позаимствованное из научной фантастики, не совсем уместно. В естественном виде альтернативные реальности представляют собой альтернативные ветви, расходящиеся от одного ствола и идущие бок о бок друг с другом в сверхпространстве, как сложная сеть путей на крупном железнодорожном узле. В представлении фантастов они напоминают скорее супермегашоссе с миллионами параллельных линий, где все миры движутся во времени параллельно друг другу, причем соседние миры почти ничем не отличаются от нашего собственного, так как различия проявляются позже, когда миры продвигаются во времени дальше. Эта картина неизбежно приводит к выводу о возможности перестроения с одной полосы на другую при движении по воображаемому шоссе – то есть о возможности проникновения в любой из соседних миров. К сожалению, математика не соответствует этой приятной глазу картине.
Математикам не составляет труда ввести больше измерений, чем привычные нам три, которые играют столь важную роль в нашей обычной жизни. Весь наш мир – одна из ветвей многомировой реальности Эверетта – математически описывается с применением четырех измерений, трех пространственных и одного временного, расположенных под прямыми углами друг к другу, и математика, которая вводит больше измерений под прямыми углами друг к другу и к нашим четырем, является не более чем игрой с цифрами. Так на самом деле и расположены альтернативные реальности – не параллельно нашему миру, а под прямыми углами к нему, и эти перпендикулярные миры расходятся «в стороны» в сверхпространстве. Эту картину представить сложнее, но она помогает понять, почему невозможно проникать в соседние альтернативные реальности. Если вы отправитесь в сторону под прямым углом к нашему миру, вы тем самым создадите собственный новый мир. И правда, в многомировой теории, когда Вселенная сталкивается с необходимостью квантового выбора, происходит именно это. Единственный способ попасть в одну из альтернативных реальностей, образованных посредством такого деления Вселенной в результате проведения эксперимента с котом в ящике или опыта с двумя прорезями, – это вернуться во времени к моменту проведения эксперимента в вашей собственной четырехмерной реальности, а затем отправиться во времени вперед уже по альтернативной ветви, которая лежит под прямыми углами к нашему четырехмерному миру.
Возможно, это неосуществимо. Широко распространено мнение, что путешествия во времени не могут быть возможны из-за возникающих парадоксов наподобие того, в котором вы возвращаетесь в прошлое и убиваете своего дедушку до момента зачатия вашего отца. С другой стороны, частицы, похоже, всегда путешествуют во времени, а Фрэнк Типлер показал, что уравнения общей теории относительности допускают возможность путешествий во времени. Есть возможность вообразить такое путешествие вперед и назад во времени, которое не допускает парадоксов, и эта форма путешествий во времени покоится на реальности альтернативных вселенных. Дэвид Герролд рассмотрел такую возможность в занимательном романе «Дублированный», который стоит прочитать, чтобы понять все сложности и тонкости многомировой теории. Суть в том, что, если воспользоваться классическим примером, когда вы возвращаетесь в прошлое и убиваете своего дедушку, вы создаете, или открываете (в зависимости от вашей точки зрения), альтернативный мир, который ответвляется от того мира, в котором все началось, и отходит от него под прямыми углами. В этой «новой» реальности ни ваш отец, ни вы сами не появляетесь на свет, но парадокса не возникает, так как вы все-таки рождаетесь в «оригинальной» реальности и совершаете путешествие в прошлое, переходя на альтернативную ветвь. Вернитесь назад еще раз и предотвратите свое преступление – и вы просто снова войдете в оригинальную ветвь реальности или, по крайней мере, в такую ветвь, которая очень на нее похожа.
Но даже Герролд не «объясняет» странные вещи, которые происходят с его главным героем с позиции перпендикулярных реальностей, и, насколько я знаю, настоящее физическое объяснение математики, задействованной в интерпретации Эверетта, не имеет аналогов – это явно новый виток научно-фантастической саги, который еще не развили сами фантасты. И я предлагаю им это объяснение[72]. Но важно подчеркнуть, что альтернативные реальности на этой картине не лежат «параллельно» нашей таким образом, чтобы в них можно было без труда проникать. Каждая ветвь реальности находится под прямыми углами ко всем остальным ветвям. Может существовать такой мир, в котором именем Бонапарта будет Пьер, а не Наполеон, но где история при этом будет в целом разворачиваться так же, как и в нашей ветви реальности; а может существовать и такой мир, в котором этого конкретного Бонапарта и вовсе никогда не было. Оба этих мира одинаково далеки от нашего мира и одинаково недосягаемы. Ни в один из них нельзя проникнуть иначе, кроме как совершив путешествие обратно во времени в нашем собственном мире до нужного момента разветвления, а затем снова продвинувшись во времени вперед под прямыми углами (под одним из многих прямых углов!) к нашей собственной реальности.
Эту концепцию можно расширить, избавившись от парадоксальной реальности любого из парадоксов путешествий во времени, которые так любят авторы и читатели научно-фантастических книг и которые давно обсуждаются философами. Все возможное случается в одной из ветвей реальности. Чтобы попасть в эти возможные реальности, нужно путешествовать во времени не вбок, а назад и затем вперед по другой ветви. Возможно, лучший из научно-фантастических романов, написанных когда-либо, использует многомировую интерпретацию, хотя я не уверен, осознанно ли его автор Грегори Бенфорд сделал это. В его книге «Панорама времен» судьба мира фундаментально изменяется из-за нескольких сообщений, которые были отправлены в 1960-е годы из 1990-х. История прекрасно написана и увлекает с первых же строк, даже без учета научно-фантастического компонента. Но я упомянул этот роман потому, что, так как мир изменился в результате действий, предпринятых людьми, которые получили сообщения из будущего, будущее из сообщений для них перестало существовать. Так откуда пришли сообщения? Можно, например, применить старую Копенгагенскую интерпретацию о призрачном мире, который отсылает призрачные сообщения, влияя тем самым на способ, которым редуцируется волновая функция, но сложно будет отстоять этот аргумент. С другой стороны, в многомировой интерпретации легко представить, как сообщения из одной реальности отправляются во времени назад и достигают точки разделения, где их получают те люди, которые затем отправляются во времени вперед, на свою ветвь реальности. Оба альтернативных мира существуют, и коммуникация между ними прерывается, как только принимаются критические решения, оказывающие влияние на будущее[73]. «Панорама времен» – это не просто хорошая книга, ведь в ней, в общем-то, содержится «мысленный эксперимент», столь же интригующий и важный для квантовомеханического спора, как и эксперимент ЭПР или кот Шрёдингера. Сам Эверетт, может, и не обратил на это внимание, но многомировая реальность – это как раз та реальность, которая позволяет путешествия во времени. Кроме того, эта та реальность, которая объясняет, почему мы здесь и сейчас обсуждаем это.
Наше особенное место
Согласно моей интерпретации многомировой теории, будущее не является определенным, если говорить о нашем сознательном восприятии мира, однако прошлое определено. Наблюдая, мы выбрали из множества реальностей «реальную» историю, и стоит кому-то увидеть в нашем мире дерево, как оно остается там, даже когда никто на него не смотрит. Это применимо ко всему течению событий вплоть до Большого взрыва. На каждом перекрестке квантового шоссе может быть создано множество новых реальностей, однако путь, ведущий к нам, однозначен и ясен. Впрочем, существует множество путей в будущее, и некоторая версия «нас» пройдет по каждому из них. Каждая версия нас самих будет думать, что идет по уникальному пути, и будет оставлять позади уникальный путь, однако предсказать будущее невозможно, поскольку будущих существует великое множество. Мы можем даже получать из будущего сообщения – либо механически, как в романе «Панорама времен», либо, если хотите, из снов и экстрасенсорного восприятия. Однако эти сообщения вряд ли могут нам хоть как-то помочь. Поскольку существует множество будущих миров, любые подобные сообщения, вероятно, будут противоречивыми и путаными. Если мы будем действовать, основываясь на них, мы, скорее всего, отклонимся в другую ветвь реальности, отличную от той, откуда пришли «сообщения», поэтому крайне маловероятно, что они вообще могут «воплотиться в жизнь». Те же, кто полагает, что квантовая теория дает ключ к практической экстрасенсорике, телепатии и всему остальному, просто заблуждаются.
Изображение Вселенной в качестве развертывающейся диаграммы Фейнмана, на которой мгновенное «сейчас» движется с постоянной скоростью, является чрезмерным упрощением. Настоящая картина представляет собой многомерную диаграмму Фейнмана, все возможные миры, и «сейчас» развертывается в каждом из них, на каждой ветви и извилине. В этих рамках осталось ответить на величайший вопрос – почему наше восприятие реальности такое, какое оно есть? Почему выбор путей в квантовом лабиринте, начавшийся с Большого взрыва и ведущий прямо к нам, оказался именно той дорогой, которая привела в итоге к появлению интеллекта во Вселенной?
Ответ заключается в идее, которую часто называют «антропным принципом». Он гласит, что условия, существующие в нашей Вселенной, – это единственные условия, не считая легких вариаций, которые могли позволить развиться такой жизненной форме, как человек, а потому любой разумный вид вроде нас неизбежно должен наблюдать вокруг себя вселенную, похожую на нашу[74]. Если бы Вселенная была другой, нас бы не было, и мы бы ее не наблюдали. Можно представить, что Вселенная с момента Большого взрыва идет по множеству различных квантовых путей. В некоторых из этих миров, так как различные квантовые варианты выбираются прямо перед началом расширения Вселенной, звезды и планеты вообще не формируются, а жизнь в знакомой нам форме так и не зарождается. Если взять конкретный пример, в нашей Вселенной, похоже, частицы материи превалируют над малым количеством частиц антиматерии, которые могут и вовсе отсутствовать. На это может не быть фундаментальной причины – возможно, реакции во время огненной вспышки Большого взрыва прошли именно так просто случайно. Это столь же вероятно, как и представление о том, что Вселенная должна быть пустой или что она должна в основном состоять из того, что мы называем антиматерией, и вмещать в себя лишь немного материи – или вообще не вмещать ее. В пустой Вселенной не существовало бы жизни в привычном нам смысле; во Вселенной антиматерии могла бы зародиться такая же жизнь, как у нас, как будто бы в настоящем зеркальном мире. Загадка в том, почему идеальный для жизни мир должен был зародиться в Большом взрыве.
Антропный принцип гласит, что может существовать множество возможных миров и что мы представляем собой неизбежный продукт нашего типа вселенной. Но где остальные миры? Являются ли они призраками, как взаимодействующие миры Копенгагенской интерпретации? Относятся ли они к различным жизненным циклам всей Вселенной, до Большого взрыва, который породил пространство и время в привычном нам смысле? Или могут ли они быть многими мирами Эверетта, существующими под прямыми углами к нашему собственному? Мне кажется, что это лучшее объяснение из доступных сегодня и что ответ на загадку о том, почему мы видим Вселенную именно такой, в достаточной степени компенсирует тяжелый багаж интерпретации Эверетта. Большая часть альтернативных квантовых реальностей не подходит для жизни и является пустой. Условия, идеально подходящие для жизни, очень специфичны, поэтому, когда живые существа оглядываются назад на квантовый путь, который привел к появлению их самих, они видят конкретные события, рукава квантовой дороги, которые могут даже не быть самыми вероятными на статистической основе, но при этом являться именно теми путями, которые ведут к разумной жизни. Множественность миров, похожих на наш, но при этом обладающих собственной историей, – в которых Британия до сих пор правит всеми своими североамериканскими колониями или в которых североамериканские аборигены колонизировали Европу, – представляет собой лишь маленький уголок гораздо более огромной реальности. Специфические условия, подходящие для жизни, были выбраны из массива квантовых возможностей не по воле случая, а по воле выбора. Все миры одинаково реальны, но только в подходящих мирах есть наблюдатели.
Успех экспериментов команды Аспе при проверке неравенства Белла ограничил количество возможных интерпретаций квантовой механики только двумя. Нам приходится принять либо Копенгагенскую интерпретацию с призрачными реальностями и полумертвыми котами, либо интерпретацию Эверетта с множеством миров. Конечно, есть вероятность, что ни одно из двух лучших предложений в научном супермаркете не является верным и что обе эти альтернативы ошибочны. Может существовать еще одна интерпретация квантовой механики, которая разрешает все загадки, разрешаемые и Копенгагенской интерпретацией, и интерпретацией Эверетта, включая и проверку неравенства Белла, и которая выходит за границы нашего сегодняшнего понимания – так же, быть может, как общая теория относительности превосходит и вмещает в себя специальную теорию относительности. Но если вы решите, что это самый легкий путь, самое простое разрешение дилеммы, вспомните, что любая такая «новая» интерпретация должна объяснять все, чему мы научились с момента великого прыжка Планка в темноту, и что она должна объяснять это столь же хорошо (или лучше), как и две текущие интерпретации. Это весьма серьезный запрос, но не в обычае науки лениво отстраниться и ждать, пока кто-нибудь найдет «лучший» ответ на наши проблемы. В отсутствие лучшего ответа нам приходится встречать те следствия, которые дает нам лучший из имеющихся ответов. Даже во второе десятилетие XXI века, после более восьмидесяти лет интенсивных попыток лучших физических умов разгадать загадку квантовой реальности, нам приходится признать, что наука в настоящий момент может предложить только эти два альтернативных описания строения мира. На первый взгляд ни одно из них не кажется приятным. Простыми словами: либо ничто не реально, либо реально все.
Эту дилемму, быть может, не решат никогда, поскольку есть вероятность, что невозможно разработать эксперимент, позволивший бы выбрать одну из двух интерпретаций, не включив в него путешествия во времени. Но понятно, что один из наиболее способных квантовых философов Макс Джеммер не преувеличивал, сказав, что «теория мультивселенной, без сомнения, является одной из самых смелых и самых вызывающих теорий за всю историю науки»[75]. Она в буквальном смысле объясняет все, включая жизнь и смерть котов. Я неисправимый оптимист, а потому эта интерпретация квантовой механики мне особенно близка. Все возможно, и своими действиями мы выбираем собственные пути по многим мирам кванта. В том мире, в котором живем мы, ты получаешь то, что видишь, не существует скрытых параметров, Бог не играет в кости и все реально. О Нильсе Боре часто рассказывают, будто однажды в 1920-х кто-то пришел к нему с безумной идеей, целью которой было разрешение одной из загадок квантовой теории, и он ответил: «Ваша теория безумна, но недостаточно безумна, чтобы быть правдой» [76]. На мой взгляд, теория Эверетта безумна достаточно, чтобы быть правдой, и на этой прекрасной ноте я собираюсь закончить наши поиски кота Шрёдингера.
Эпилог
Неоконченное дело
История о кванте, которую я рассказал в этой книге, кажется аккуратно выдержанной и сухой, за исключением полуфилософского вопроса, нравится ли вам больше Копенгагенская или многомировая интерпретация. Лучшего способа рассказать эту историю в книге не существует, однако это не вся правда. История кванта еще не завершена, и сегодня теоретики трудятся над задачами, которые могут помочь сделать следующий шаг, который будет настолько же фундаментальным, как шаг Бора, когда он проквантовал атом. Попытка написать об этом неоконченном деле окажется путаной и неудовлетворительной. Принятые точки зрения на то, что является важным, а что можно спокойно игнорировать, могут совершенно измениться к тому моменту, когда книга выйдет из печати. Однако, чтобы у вас было хоть какое-то представление о том, как может пойти развитие, в этом эпилоге я расскажу о неоконченных страницах квантовой истории и дам пару намеков на то, чего можно ожидать в будущем.
То, что в квантовой теории таится гораздо больше, чем видно нашему глазу, становится ясным из ветви квантовой теории, которую обычно называют бриллиантом в короне квантовой науки, самым великим ее завоеванием. Это квантовая электродинамика, или КЭД для краткости, теория, которая «объясняет» электромагнитное взаимодействие с позиции кванта. Квантовая электродинамика расцвела в 1940-х годах и оказалась такой успешной, что ее использовали в качестве модели для теории сильного ядерного взаимодействия, которая, в свою очередь, стала называться квантовой хромодинамикой, или КХД, так как она изучает взаимодействия частиц под названием кварки, обладающих свойствами, которые теоретики причудливо обозначили названиями цветов. И все же в квантовой электродинамике есть существенный недостаток. Теория работает, но только после подгонки математики таким образом, чтобы она соответствовала нашим наблюдениям мира.
Проблемы связаны с тем, что электрон в квантовой теории не является голой частицей классической теории, а окружен облаком виртуальных частиц. Это облако частиц должно оказывать влияние на массу электрона. Возможно вывести квантовые уравнения, соответствующие электрону + облаку, но при попытке решить эти уравнения математически «ответы» получаются бесконечно огромными.
Рис. Э.1. Классическая диаграмма Фейнмана, изображающая взаимодействие частиц.
Рис. Э.2. Квантовая коррекция законов электродинамики объясняется присутствием виртуальных частиц – диаграмм с замкнутыми петлями. Существуют ситуации, приводящие к бесконечностям, от которых можно избавиться только с помощью неудовлетворительного трюка перенормировки.
Отталкиваясь от уравнения Шрёдингера, которое стало краеугольным камнем квантовой кулинарии, верная математическая трактовка электрона дает бесконечную массу, бесконечную энергию и бесконечный заряд. Не существует правомерного математического способа избавиться от этих бесконечностей, но от них можно избавиться, пойдя на хитрость. Мы знаем массу электрона, измеренную экспериментально, и знаем, что именно такой ответ должна давать нам теория в качестве массы электрона + облака. Поэтому теоретики убирают бесконечности из уравнений, в сущности деля одну бесконечность на другую. Математически, если разделить бесконечность на бесконечность, можно получить любой ответ, поэтому они говорят, что ответ именно тот, который нам нужен, то есть измеренная масса электрона. Этот трюк называется перенормировкой.
Чтобы понять, что происходит, представьте человека весом 150 фунтов, который отправляется на Луну, где сила притяжения на поверхности составляет только одну шестую силы притяжения на поверхности Земли. На обычных земных весах, настроенных на Земле и привезенных с собой на Луну, отобразится, что путешественник весит 25 фунтов, хотя тело его не потеряло ни грамма массы. В таких обстоятельствах будет, вероятно, разумным «перенормировать» весы, подкрутив их таким образом, пока не отобразится вес 150 фунтов. Но этот трюк работает только потому, что мы знаем, какой именно массой – в земных единицах – обладает путешественник, и хотим вести свои записи в этих же единицах. Если весы регистрируют бесконечную массу, ее можно подогнать к реальности, только произведя бесконечную корректировку, и именно этим квантовые теоретики занимаются в квантовой электродинамике. К сожалению, хотя при делении 150 на 6 мы имеем однозначный ответ 25, при делении 25 × бесконечность на бесконечность однозначного ответа 25 не получается, но может получиться вообще любой ответ.
Рис. Э.3. Обмена двумя W-бозонами, происходящего между нейтрино и нейтроном, достаточно для требования всей бесконечной поправки к вычислению, в отличие от обмена единичным бозоном.
Даже так трюк этот чрезвычайно силен. Когда вычеркиваются бесконечности, решения уравнения Шрёдингера делают все, что только могут пожелать физики, и прекрасно описывают даже самые тонкие детали электромагнитных взаимодействий в атомных спектрах. Результаты совершенны, так что большинство теоретиков считают квантовую электродинамику хорошей теорией и не переживают из-за бесконечностей точно так же, как квантовые кулинары не переживают о Копенгагенской интерпретации или принципе неопределенности. Но то, что трюк работает, не отменяет того факта, что трюк остается трюком, и единственный человек, мнение которого относительно квантовой теории должно пользоваться наибольшим авторитетом, глубоко разочарован этим. На лекции, прочитанной в 1975 году[77] в Новой Зеландии, Поль Дирак заметил:
Должен сказать, я очень разочарован ситуацией, поскольку так называемая «хорошая теория» включает в себя пренебрежение бесконечностями, которые появляются в ее уравнениях, причем пренебрежение беспорядочное. Это не просто тонкая математика. Тонкая математика предполагает пренебрежение очень маленькими величинами, а не пренебрежение величинами, поскольку они бесконечно велики и вы не хотите иметь с ними дело!
Заявив, что в его понимании «это уравнение Шрёдингера не имеет решения», Дирак завершил свою лекцию, подчеркнув, что теорию необходимо решительно изменить, чтобы она приобрела математический смысл. «Простых изменений недостаточно… Я чувствую, что необходимое изменение будет почти столь же драматично, как и пассаж из теории Бора о квантовой механике». Где искать такую новую теорию? Если бы у меня был ответ на этот вопрос, я бы уже поднимался на сцену за Нобелевской премией. И все же я могу показать вам несколько интересных завоеваний современной физики, которые в принципе могли бы удовлетворить даже высоким требованиям Дирака к хорошей теории.
Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 232; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!