Павел Амнуэль - Вселенные: ступени бесконечностей
Я не стану отвлекать читателя историческими экскурсами и буду обращаться к ним по мере необходимости. Желающие более серьезно углубиться в историю, могут сделать это, обратившись к монографии Ступальского. Хочу лишь предупредить, что все эти исторические изыскания (очень интересные) не имеют отношения к истинному многомирию, о котором пойдет речь ниже.
Часть первая
МНОГОМИРИЯ И НАУКА
Глава 1
Предтечи
Современные представления о многомириях возникли из необходимости непротиворечиво осмыслить ситуацию с волновым уравнением Шредингера.
Уравнения Шредингера описывали состояние и взаимодействие элементарных частиц. В отличие от классической физики, где любой объект (неважно — атом, планета или галактика) находится каждый момент времени в одном-единственном вполне определенном состоянии, в мире квантов все не так. Состояние элементарной частицы представляет собой волну вероятности с широкими, практически бесконечными, краями. Электрон с разной степенью вероятности находится в любом из состояний, являющихся решениями уравнения Шредингера. В каком именно состоянии — невозможно узнать, пока этот электрон не становится объектом наблюдения. И дело даже не в том, что мы всего лишь не знаем, в каком состоянии находится электрон. Пока электрон не наблюдают, он на самом деле находится сразу во множестве (как говорят физики — суперпозиции) состояний!
В момент наблюдения вы фиксируете некое определенное состояние частицы. Иными словами, выбираете из всех состояний одно-единственное. А что происходит с остальными?
Электрон — вот он, вы его зафиксировали, его состояние вам известно. Но волновая функция электрона говорит о том, что частица находилась еще и в состоянии 2, и в состоянии 3, и в состоянии 4, и еще во множестве других состояний — в таком их количестве, сколько решений имеет уравнение Шредингера, написанное для данной частицы.
Куда в момент наблюдения деваются все решения уравнения, кроме единственного? Нильс Бор и Вернер Гейзенберг утверждали, что, как только частица попадает в «объектив» наблюдателя, все решения уравнения (то есть, все состояния частицы!) коллапсируют, исчезают, остается единственное.
Такая интерпретация событий, происходящих в квантовом мире, получила название копенгагенской, по названию города, где работали Бор и Гейзенберг. Физиков-практиков копенгагенская интерпретация вполне устраивала, поскольку предсказания квантовой физики выполнялись идеально, на сто процентов. Были построены синхрофазотроны, коллайдеры, реакторы, открыты новые элементарные частицы. Расчеты атомной и водородной бомб невозможно было провести, не используя уравнение Шредингера.
На вопрос «что происходит?» копенгагенская интерпретация давала однозначный ответ. А вопрос «почему?» физики-экспериментаторы предпочитали не задавать — формулы работают, ну и ладно. Теоретики, которых интересовала философская глубина квантовой теории, вяло продолжали спорить еще полвека, не находя выхода из противоречия и соглашаясь с тем, что «да, это некрасиво, неправдоподобно, с чего бы волновой функции коллапсировать? Но… так устроен мир».
Альберт Эйнштейн говорил о двух критериях, определяющих хорошую теорию. Теория должна обладать внутренним совершенством (быть внутренне непротиворечивой) и иметь внешнее оправдание (соответствовать наблюдениям, эксперименту). Копенгагенская интерпретация квантовой физики полностью оправдывала себя внешне, но оставалась противоречивой внутренне.
Не очень многие читатели, особенно читатели-гуманитарии, понимают, насколько важна в физике красота предлагаемой теории. Любой хороший физик интуитивно понимает, верна ли теория, даже не вдаваясь в тщательное исследование ее плюсов и минусов. Достаточно понять идею и следствия, чтобы уловить незримую красоту, то, что Эйнштейн называл внутренним совершенством. Теория может правильно описывать известные экспериментальные или наблюдательные данные, но, если в ней не чувствуется внутренней красоты, то практически наверняка такая теория будет впоследствии теми же экспериментальными данными опровергнута — это не раз случалось в истории науки. Интуиция — казалось бы, недостаточно надежный критерий проверки истинности теории, но она очень редко подводила таких физиков, как Эйнштейн, Бор, Гейзенберг, а впоследствии — Зельдович, Хокинг, Линде, Журбин, Дорштейн и др.
Могут сказать, что интуиция, тем не менее, подвела Эйнштейна, когда он вступил в спор с Бором, пытаясь доказать противоречивость и неприемлемость квантовой теории. Однако такая мысль на самом деле слишком поверхностна. На самом деле интуиция и здесь Эйнштейна не подвела — он не терпел внутренней противоречивости квантовой физики, смотрел глубже своего оппонента и понимал, что для признания истинности квантовой механики и ее соответствия не только физической практике, но и физической философии, необходимо или отказаться от основ (что было неприемлемо, да и не нужно), или дополнить эти основы фундаментальным предположением, избавляющим квантовую теорию от присущих ей противоречий.
Поэтому не удивительно, что именно Эйнштейн, противник квантовой физики в ее тогдашних «одеждах», предложил (совместно со своими сотрудниками Борисом Подольским и Натаном Розеном) мысленный эксперимент, названный ЭПР-парадоксом. ЭПР-парадокс, по сути, стал переходной ступенью от одномирия копенгагенской интерпретации к многомирию по Эверетту. Важность этого парадокса была оценена много позднее, а интуиция создателя теории относительности еще раз оказалась на высоте положения.
В чем суть парадокса? Представьте, что вы физик-экспериментатор, и на своей установке заставили несколько элементарных частиц (для простоты возьмем всего две) войти во взаимодействие и создать систему. Предположим, что такая система в простейшем виде состоит из двух электронов. Электроны описываются статистикой Ферми, то есть, не могут, находясь в связанном друг с другом состоянии, иметь одинаковые квантовые числа. В простейшем примере — не могут иметь одинаковые моменты вращения, так называемые спины. Но спин электрона всего-то может принимать два квантованных значения: + ½ или — ½. Значит, и в нашей системе спин одного электрона равен половинке, и тогда спин другого обязательно будет равен минус половинке. Если каким-то образом поменять спин первого электрона на противоположный, то одновременно изменится на противоположный и спин второго электрона. Теперь внимание. Мы берем второй электрон и относим его на расстояние метра от первого. Или на километр. Или на парсек. Можно и на миллиард парсек — в другую часть Вселенной. Конечно, для этого нужна масса времени, но эксперимент наш мысленный, и времени у нас сколько угодно. Итак, мы отправили второй электрон за миллиард парсек от первого, а затем изменили спин первого на противоположный (это и в обычном эксперименте делается очень просто, а в мысленном — подавно). Теоретически (если верна квантовая физика) в тот же момент второй электрон, находящийся на расстоянии многих парсеков от первого, тоже должен изменить свой спин на противоположный, поскольку система из этих двух электронов является связанной и описывается одной волновой функцией. Но как такое может произойти? Ведь существует теория относительности, запрещающая распространение каких бы то ни было сигналов быстрее скорости света. Каким образом второй электрон, будучи на расстоянии миллиарда парсек от первого, узнаёт о том, что должен изменить свой спин? А он это узнаёт — если справедлива квантовая физика и верно, что в связанных системах элементы этих систем описываются единой волновой функцией.
Вывод: или неверна теория относительности, или квантовая физика. Эйнштейн, естественно, был уверен в справедливости своей теории и потому сделал вывод: «неладно что-то в квантовом королевстве». Бор приводил свои контраргументы, пытаясь совместить, казалось бы, несовместимое, но полностью опровергнуть ЭПР-парадокс ему так и не удалось, и долгие годы этот мысленный эксперимент, проведенный Эйнтшейтном и его коллегами, торчал в квантовой теории, как гвоздь, наполовину забитый в крышку ее гроба. Наполовину, поскольку квантовая теория блестяще оправдывала себя на практике, и в гроб ее вогнать было невозможно, но, с другой стороны, квантовая теория, имея прекрасное внешнее оправдание, имела и жестокое внутреннее несовершенство, некое (и не единственное!) противоречие, из-за которого эту замечательную теорию нельзя было считать правильной.
Противоречие усугубилось в начале ХХI века, когда физики провели не мысленный уже, а множество вполне реальных экспериментов со связанными системами элементарных частиц и доказали, что правы были Эйнштейн, Подольский и Розен. Конечно, частицы в экспериментах разносили не на миллиард парсек, а на расстояние метров или километров друг от друга, но принципиальной сути опыта это не меняло. Получалось, что связанные (запутанные) элементарные частицы действительно мгновенно «чувствовали» изменение состояния друг друга (Riebe et al., 2004; Barrett et al, 2005, и др.)
