Могут ли мультивселенные давать предсказания, которые нельзя получить другими способами?

 

Вы, безусловно, заметили, что даже в самых оптимистичных планах предполагается, что предсказания на основе мультивселенного подхода будут иметь другой характер, отличный от того, что мы традиционно ожидаем от физики. Прецессия перигелия Меркурия, магнитный дипольный момент электрона, энергия, выделяемая при расщеплении ядра урана на барий и криптон, — всё это примеры предсказаний. Они основаны на тщательных математических вычислениях, опирающихся на цельную физическую теорию, и дают в конце точные, проверяемые числа. Эти числа были подтверждены экспериментально. Например, вычисления дают, что магнитный момент электрона равен 2, 0023193043628; измерения показывают, что он равен 2, 0023193043622. С точностью до малых ошибок, присущих и первым и вторым, эксперимент таким образом подтверждает теорию с точностью 1 к 10 миллиардам.

В той ситуации, где мы сейчас находимся, кажется, что предсказания теории мультивселенной никогда не достигнут такого стандарта точности. Возможно, что в наиболее продвинутых сценариях мы сможем характеризовать как «весьма вероятные» предсказания того, что космологическая постоянная, или величина электромагнитного взаимодействия, или масса u -кварка будут лежать в некотором диапазоне значений. Но чтобы это улучшить, нам должно очень сильно повезти. Кроме решения проблемы измерения необходимо построить убедительный вариант теории мультивселенной с очень скошенными распределениями (например, чтобы с вероятностью 99, 9999 процента наблюдатель оказался во вселенной с наблюдаемым значением космологической постоянной) или с удивительно тонкими корреляциями (например, что существование электрона возможно только во вселенных с космологической постоянной равной 10− 123). Если теория мультивселенной не обладает такими правильными свойствами, то точность, всегда отличавшая физику от других дисциплин, будет потеряна. Есть много физиков, которые не готовы заплатить такую цену.

Довольно долго я тоже придерживался такой позиции, но затем моя точка зрения начала меняться. Как любой другой физик, я предпочитаю конкретные, точные и недвусмысленные предсказания. Но я, как и многие другие, пришёл к пониманию, что не все фундаментальные свойства Вселенной подходят для точных математических предсказаний; по крайней мере вполне логично допустить, что могут существовать свойства, не укладывающиеся в рамки точных предсказаний. С середины 1980-х годов, когда я был студентом, изучающим теорию струн, было широко распространено мнение, что эта теория однажды объяснит значения масс частиц, константы взаимодействий, число пространственных измерений и вообще любое фундаментальное физическое свойство. Я по-прежнему надеюсь, что эта цель будет достигнута. Однако я признаю, что чрезмерно требовать от уравнений теории так извернуться, чтобы выдать число типа массы электрона (0, 000000000000000000000091095 в единицах планковской массы) или массы t -кварка (0, 0000000000000000632 в единицах планковской массы). Когда же наступает очередь космологической постоянной, задача вырастает до исполинских масштабов. Вычисления, которые после многих страниц выкладок и мегаватт, затраченных на компьютерное моделирование, выдадут то самое заветное число, с которого начиналась глава 6, — не то чтобы в принципе были невозможны, но здесь может дать сбой даже самый оптимистичный оптимизм. Увы, теория струн сегодня ни чуть не ближе к вычислению любого из этих чисел, чем когда я был студентом. Однако это не значит, что теория струн или другая, ещё не известная теория, однажды не достигнет этого. Возможно, что оптимистам следует быть более изобретательными. Но в рамках сегодняшней физики имеет смысл поискать новые подходы. Именно этим занимается теория с мультивселенными.

В рамках хорошо разработанного подхода с мультивселенными можно чётко выделить те физические свойства, которые следует рассматривать с точки зрения, отличной от стандартной: это те свойства, которые изменяются от одной вселенной к другой. В этом сила данного подхода. В теории с мультивселенными можно иметь точный контроль над тем, какие нерешённые загадки, характерные для некоторой частной вселенной, сохранятся в мультивселенном контексте, а какие нет.

Космологическая постоянная являет собой первый пример. Если её значение варьируется в рамках данной мультивселенной, причём во вполне определённом интервале, тогда то, что когда-то было загадкой, — её значение — теперь становится весьма прозаичным. Подобно тому как в обувном магазине с налаженными поставками товара всегда найдутся ботинки вашего размера, так и необъятная мультивселенная заведомо будет содержать вселенные с измеренным нами значением космологической постоянной. Задача, над которой доблестно бились поколения учёных, легко может быть разрешена с помощью идеи мультивселенной. Мультивселенная показала, что этот вопрос, кажущийся столь глубоким и столь непонятным, возникает из-за ошибочного допущения, что космологическая постоянная имеет единственное значение. Именно в этом смысле теория мультивселенной может обладать значительной предсказательной силой и иметь потенциальную возможность оказать неоценимое влияние на ход научных исследований.

С подобными рассуждениями нужно обходиться очень аккуратно. Что если Ньютон, увидев упавшее яблоко, решил бы, что мы являемся частью мультивселенной, в которой яблоки в одних вселенных падают вниз, в других вверх, поэтому падающее яблоко лишь указывает на то, в какой именно вселенной мы находимся, и не стоит предпринимать никакие дальнейшие исследования? Или он бы пришёл к выводу, что в каждой вселенной какие-то яблоки падают вниз, а какие-то вверх, и причина, согласно которой мы видим только падающие вниз яблоки, — это всего лишь вопрос нашего окружения, то есть все падающие вверх яблоки в нашей Вселенной уже упали вверх, поэтому давно оказались где-то в глубинах космоса? Это, конечно же, глупый пример — никогда не существовало причины, в том числе теоретической, так думать — но вопрос сам по себе серьёзный. Привлекая мультивселенную, наука может ослабить стимул решать конкретные задачи, даже если некоторые из этих задач ждут своего решения в рамках стандартного подхода, без мультивселенной. Вместо того чтобы упорно трудиться и расширять своё понимание, можно попасть под обаяние мультивселенной и преждевременно забросить привычные методы исследований.

Здесь кроется потенциальная угроза, которая объясняет, почему некоторые учёные содрогаются при упоминании мультивселенных рассуждений. Именно поэтому концепция мультивселенной, если её воспринимать всерьёз, должна быть строго обоснована с помощью теоретических результатов, она должна чётко характеризовать вселенные, из которых она состоит. Анализ должен быть аккуратными и методичным. Однако отворачиваться от мультивселенной только потому, что она могла бы завести в тупик, также рискованно. Если мы так поступим, мы закроем глаза на реальность.

 

 

Глава 8. Множественные миры квантовой механики

Квантовая мультивселенная

 

Статус теорий с параллельными вселенными, которые были рассмотрены выше, находится под большим вопросом. Бесконечное пространство, вечная инфляция, миры на бранах, циклическая космология, струнный ландшафт — эти захватывающие идеи возникли из ряда научных открытий. Но каждая из них остаётся гипотетичной, как и породившие их мультивселенные. Хотя многие физики с готовностью высказывают своё мнение «за» или «против» разных схем мультивселенных, большинство признают, что только будущие открытия — теоретические, экспериментальные и наблюдательные — определят, какие из этих идей останутся в науке.

Идея мультивселенной, к рассмотрению которой мы сейчас перейдём, возникает из квантовой механики. У неё особый статус. Многие физики уже определились с окончательным вердиктом по поводу этой мультивселенной. Но особенность в том, что их вердикты не совпадают. Различия проистекают из глубокой и до сих пор нерешённой проблемы перехода от вероятностной интерпретации квантовой механики к определённости повседневной реальности.

 

Квантовая реальность

 

В 1954 году, почти тридцать лет спустя после формулировки квантовой теории такими светилами науки, как Нильс Бор, Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер, никому неизвестный студент Принстонского университета по имени Хью Эверетт III придумал поразительную интерпретацию. Анализируя проблему, над которой Бор, мэтр квантовой механики, безуспешно корпел и никак не мог решить, он показал, что для правильного понимания квантовой механики может потребоваться огромное количество параллельных вселенных. Теория Эверетта стала одной из первых математических конструкций, из которой следовало, что мы можем являться частью некоторой мультивселенной.

У теории Эверетта, которая позже будет названа многомировой интерпретацией квантовой механики, весьма извилистая судьба. Изложив математические следствия, вытекающие из его гипотезы, в январе 1956 года Эверетт послал рукопись своей докторской диссертации Джону Уилеру, своему научному руководителю. Уилер, один из наиболее выдающихся мыслителей в физике двадцатого столетия, был очень впечатлён. В мае того же года он посетил Копенгаген и обсудил с Бором идеи Эверетта. Однако Бор воспринял их весьма прохладно. Бор и его коллеги потратили годы, разрабатывая и уточняя своё видение квантовой механики. Для них поднятые Эвереттом вопросы и чудной способ ответа не представляли особой ценности.

Уилер относился к Бору с очень большим уважением и поэтому предпринял меры, чтобы учесть мнение старшего коллеги. После критической оценки Бора Уилер отложил защиту диссертации Эверетта и предложил значительно её переработать. Эверетт должен был убрать части с откровенной критикой подхода Бора и подчеркнуть, что его результаты лишь проясняют и расширяют стандартную формулировку квантовой теории. Эверетт сопротивлялся, но так как он уже принял предложение о работе в министерстве обороны (где он вскоре начнёт играть важную закулисную роль в политике по ядерным вооружениям, проводимой администрацией Кеннеди и Эйзенхауэра), а для работы в министерстве требовалась учёная степень, то он, скрепя сердце, согласился. В марте 1957 года Эверетт подготовил значительно урезанную версию своей диссертации; в апреле она была утверждена в Принстоне, как удовлетворяющая всем условиям, а в июле опубликована в журнале «Reviews of Modern Physics».89 Но поскольку подход Эверетта к квантовой механике уже был раскритикован Бором и компанией, а более широкое видение проблемы, ясно изложенное в исходной версии диссертации, было заглушено, статья осталась незамеченной.90

Десять лет спустя знаменитый физик Брайс ДеВитт вытащил работы Эверетта из забвения. Вдохновлённый результатами своего студента Нила Грахама, развившего математические идеи Эверетта, ДеВитт стал активным сторонником переосмысления квантовой теории, предложенного Эвереттом. Помимо публикации нескольких технических статей, благодаря которым достижения Эверетта были представлены небольшой, но влиятельной группе специалистов, в 1970 году ДеВитт написал обзор для журнала «Physics Today», предназначенный для более широкой научной аудитории. В отличие от статьи 1957 года, в которой Эверетт уклонился от обсуждения других миров, ДеВитт, наоборот, сделал на этом акцент, назвав с необыкновенной искренностью «шоком» вывод Эверетта о том, что мы являемся частью огромного «мультимира». Статья получила значительный отклик в физическом сообществе, ставшем более восприимчивым к экспериментам с ортодоксальной квантовой идеологией, и привела к непрекращающимся по сей день спорам об устройстве природы, когда, как мы верим, правят бал квантовые законы.

Итак, перейдём к обсуждению.

Переворот в понимании, произошедший примерно между 1900 и 1930 годами, привёл к безжалостному удару по нашей интуиции, здравому смыслу и всем известным законам, которые новое авангардное поколение учёных стало называть «классической физикой» — термином, отражающим авторитет и уважение к картине реальности — почтенной, определённой, удовлетворительной и обладающей предсказательной силой. Скажите мне, что происходит сейчас, и я, воспользовавшись законами классической физики, предскажу, что будет в любой последующий момент времени или что было в любой предшествующий момент времени. Такие особенности, как хаос (технически говоря, когда небольшие изменения в текущем состоянии могут привести к огромным ошибкам в предсказаниях) и сложность уравнений, представляют собой проблему для практических применений почти всегда, кроме простых ситуаций, но сами по себе законы непоколебимы и мёртвой хваткой держат как прошлое, так и будущее.

Квантовая революция потребовала от нас отказаться от классической точки зрения, потому что новые результаты ясно продемонстрировали её неправильность. Классические законы прекрасно подходят для описания и предсказания движения больших объектов, таких как Земля или Луна, или повседневных объектов, например, камней или мячей. Но при переходе в микромир молекул, атомов и субатомных частиц законы классической физики перестают работать. Наперекор самой сути классических рассуждений, если вы проведёте одинаковые эксперименты с участием одинаковых частиц, одинаково подготовленных, то, как правило, вы не получите одинаковые результаты.

Представьте, например, что у вас есть 100 одинаковых коробок, и в каждой находится по одному электрону, каждый из которых создан согласно одной и той же лабораторной инструкции. Спустя ровно 10 минут вы и ваши 99 коллег измеряете положения каждого из 100 электронов. В отличие от того, что подумали бы в этом случае Ньютон, Максвелл и даже юный Эйнштейн — возможно, даже жизнью поручились бы за ожидаемый ответ, — 100 измерений не приведут к одному и тому же результату. На самом деле, на первый взгляд полученные результаты будут выглядеть случайными, ведь часть электронов окажется вблизи нижнего левого угла передней части коробки, часть — вблизи верхнего правого угла задней части коробки, какие-то из электронов будут где-то в середине коробки, и так далее.

Принципы и закономерности, благодаря которым физика является строгой и предсказательной дисциплиной, проявятся, только если вы будете снова и снова проводить этот эксперимент со 100 электронами. Проделав это, вы обнаружите следующее. В первой серии из 100 измерений 27 процентов электронов окажутся вблизи нижнего левого угла, 48 процентов вблизи верхнего правого угла и 25 процентов где-то в середине. Вторая серия измерений даст примерно такое же распределение. Аналогично с третьей серией, четвёртой и всеми последующими. Закономерность распределения не видна в отдельно взятом измерении; вы не сможете предсказать, где окажется отдельно взятый электрон. Наоборот, закономерность проявляется в статистическом распределении результатов многих измерений. Она состоит в определённой вероятности обнаружить электрон в том или ином положении.

Впечатляющее достижение основателей квантовой механики состояло в развитии математического формализма, в котором отсутствовали абсолютные предсказания, характерные для классической физики, а вместо них появились вероятности. С помощью уравнения, опубликованного Шрёдингером в 1926 году (эквивалентное, но менее удобное уравнение было получено в 1925 году Гейзенбергом), физики умеют задавать начальное состояние вещей, а затем вычислять вероятность того, что они окажутся в одном состоянии или в другом в любой последующий момент времени.

Но не думайте, что всё так элементарно, как в простом примере с электроном. Квантовая механика применима не только к электронам, но и ко всем типам частиц, и предсказывает не только их положения, но также скорости, угловые моменты, энергии, а также поведение в разных ситуациях, от потока нейтрино, пронизывающих в данный момент ваше тело, до бурных атомных реакций в оболочках далёких звёзд. В таком широком диапазоне явлений вероятностные предсказания квантовой механики согласуются с экспериментальными данными. Всегда. В течение более чем восьмидесяти лет с того момента, как была сформулирована квантовая механика, не появилось ни одного проверяемого эксперимента или астрофизического наблюдения, результаты которых расходились бы с квантово-механическими предсказаниями.

Для целого поколения физиков столкнуться с таким радикальным отходом от интуитивных представлений, основанных на тысячелетнем коллективном опыте, и при этом переосмыслить окружающую нас реальность в рамках совершенно нового подхода, основанного на вероятностях, несомненно явилось поистине великим интеллектуальным достижением. Однако была одна неудобная мелочь, что досаждала квантовой механике с самого момента её возникновения — та самая мелочь, которая проложила путь в мир параллельных вселенных. Для её понимания нам понадобится чуть более подробно познакомится с квантовым формализмом.

 

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться: