Когда возникает альтернативная вселенная?

 

Помимо слов «расщеплять» и «клонировать», которые мы довольно вольготно использовали при изложении историй второго типа, мы также употребляли взаимозаменяемым образом такие серьёзные термины, как «мир» и «вселенная». Есть ли какие-то чёткие указания, когда уместно использовать эти термины, а когда нет? Когда мы рассматриваем волну вероятности одного электрона с двумя (или более) пиками, мы не говорим о двух (или более) мирах. Мы подразумеваем один мир — наш — в котором содержится электрон с неоднозначным положением. Однако, применяя подход Эверетта, когда мы измеряем или наблюдаем этот электрон, мы говорим на языке множественных миров. В чём тогда различие между измеренной и неизмеренной частицей, что приводит к столь разительно отличающимся описаниям?

На ум быстро приходит такой ответ: для одного изолированного электрона нет надобности излагать историю второго типа, потому что без измерений или наблюдений нет никакой связи с человеческим опытом, который требует своего описания. Всё, что нужно, — это история первого типа о волне вероятности, распространяющейся согласно уравнению Шрёдингера. Без истории второго типа нет никакой возможности привлечь многократные реальности. Хотя такое объяснение разумно, имеет смысл покопаться поглубже и проанализировать специальные свойства квантовых волн, проявляющиеся в задачах со многими частицами.

Проще всего ухватить основную идею на примере эксперимента с двумя щелями (рис. 8.2 и рис. 8.4). Напомним, что волна вероятности падает на пластину, затем два волновых фрагмента, прошедшие сквозь щели, распространяются дальше и достигают экрана. Вдохновившись обсуждением многомирового подхода, мы можем поддаться соблазну представить две бегущие волны как две раздельные реальности. В одной из них электрон проскакивает сквозь левую щель, а в другой — через правую щель. Но вы быстро сообразите, что наложение этих двух предположительно «разных реальностей» существенно влияет на результат эксперимента; именно перекрывание двух волн приводит к интерференционной картине. Поэтому рассматривать две волновые траектории как существующие в двух разных вселенных не имеет никакого особого смысла и не даёт никакой дополнительной пищи для ума.

Однако если изменить условия эксперимента, расположив позади каждой из щелей детектор, который будет записывать, прошёл электрон сквозь неё или нет, то ситуация изменится коренным образом. Поскольку теперь привлечено макроскопическое оборудование, две различные траектории электрона порождают изменения в огромном количестве частиц — это огромное количество частиц участвует в появлении надписи «электрон прошёл сквозь левую щель» или «электрон прошёл сквозь правую щель». По этой причине соответствующие волны вероятности для каждой возможности становятся настолько несопоставимыми, что у них не оказывается практически никакой возможности как-то влиять друг на друга. Как показано на рис. 8.16а, различия в миллиардах миллиардов составляющих детектор частиц приводят к тому, что волны, соответствующие двум возможным результатам, расходятся друг с другом, практически не перекрываясь. А без перекрытия эти волны не могут участвовать ни в одном из характерных интерференционных явлений квантовой физики. Действительно, когда установлены детекторы, электроны перестают давать полосатый узор как на рис. 8.2в; наоборот, получается обычное объединение результатов, показанных на рис. 8.2а и рис. 8.2б. Физики в таком случае говорят, что волны вероятности декогерируют (более подробно вы можете прочитать об этом, например, в главе 7 книги «Ткань космоса»).

Суть тогда в том, что как только возникает декогерентность, две волны для каждого результата начинают распространяться независимо — они не смешиваются, — поэтому каждая из них может быть названа своим собственным миром или вселенной. В рассматриваемом случае в одной такой вселенной электрон проходит сквозь левую щель, и детектор это подтверждает; в другой вселенной электрон проходит сквозь правую щель, и детектор это подтверждает.

В этом и только в этом смысле есть некоторое перекликание с концепцией Бора. Согласно многомировому подходу, крупные тела, составленные из многих частиц, действительно отличаются от малых тел, составленных из одной или горстки частиц. Крупные тела не стоят особняком от математического аппарата квантовой механики, как думал Бор, но их волны вероятности могут обладать достаточными вариациями, вследствие чего их способность к интерференции становится ничтожной. И как только две и более волны перестают влиять друг на друга, они становятся невидимы друг для друга; каждая «думает», что другие исчезли. Итак, в то время как Бор просто декларировал, что акт измерения отметает все результаты, кроме одного, в многомировом подходе, дополненном декогерентностью, гарантируется, что в каждой вселенной всё оказывается так, как будто все остальные результаты исчезли. То есть в каждой вселенной всё выглядит так, как если бы волна вероятности схлопнулась, оставив лишь один пик. Однако по сравнению с копенгагенским подходом это «как если бы» приводит к совершенно другой картине устройства реальности. В многомировом подходе реализуются все возможные результаты, не только какой-то один.

 

Неопределённость на переднем крае

 

Может показаться, что на этом можно было бы и заканчивать главу. Мы видели, как сама математическая структура квантовой механики берёт нас под белы рученьки и подводит к новой концепции параллельных вселенных. Однако это ещё не конец истории. На последующих страницах я объясню, почему многомировое описание квантовой физики остаётся спорным; мы увидим, что неприятие данного подхода основано не просто на нежелании вникнуть в принципиально новую точку зрения на окружающую реальность. Но если вы, читатель, уже насытились и вам не терпится перейти к следующей главе, приведём короткое резюме.

В повседневной жизни мы сталкиваемся с вероятностью, когда видим, что в результате есть несколько возможных вариантов, но по той или иной причине не можем понять, какой из них на самом деле произойдёт. Иногда у нас имеется достаточно информации, чтобы понять, какой из результатов скорее всего произойдёт, и тогда вероятность является тем инструментом, который позволяет дать этому количественную оценку. Наша уверенность в вероятностном подходе возрастает, когда мы обнаруживаем, что результаты, которые считают вероятными, происходят часто, а маловероятные происходят редко. Проблема, стоящая перед многомировым подходом, состоит в том, что необходимо придать смысл вероятности — квантово-механическим вероятностным предсказаниям — в совершенно другом контексте, когда считается, что могут произойти все возможные результаты. Эту дилемму легко сформулировать: как можно говорить о том, что какие-то результаты вероятны, а другие маловероятны, если они все имеют место?

В последующих разделах я остановлюсь на этом более подробно и рассмотрю различные попытки решения. Хочу предупредить: мы сейчас обсуждаем вопросы, которые находятся на самом переднем крае науки, поэтому мнения о том, где мы сейчас находимся, сильно расходятся.

 

Вероятная проблема

 

Критика многомирового подхода часто сводится к тому, что этот подход слишком причудлив, чтобы быть правильным. История физики учит нас, что успешные теории просты и элегантны; они объясняют экспериментальные данные на основе минимального количества допущений и приводят к точному пониманию. Теория, в которой вселенные сыплются как из рога изобилия, далека от этого идеала.

Сторонники многомирового подхода справедливо говорят, что при оценке сложности научной теории не следует сосредотачиваться на её следствиях. Значение имеют лишь её фундаментальные свойства. В многомировом подходе считается, что всего одно уравнение — уравнение Шрёдингера — управляет распространением всех волн вероятности, так что по простоте формулировки и экономности допущений с этим подходом трудно соревноваться. Копенгагенский подход никак не проще. Он тоже основан на уравнении Шрёдингера, но при этом содержит туманное, плохо определённое предписание, когда уравнение Шрёдингера не следует применять, и ещё менее понятное описание, касающееся процесса схлопывания волны вероятности, который, как предполагается, имеет место быть. То, что многомировой подход приводит к исключительно богатой картине реальности, говорит о неблагонадёжности теории не более, чем разнообразие жизни на Земле говорит против дарвиновского естественного отбора. Механизмы, фундаментально простые по своей сути, могут привести к сложным заключениям.

Тем не менее, хотя отсюда следует, что бритва Оккама недостаточно остра, чтобы отсечь многомировой подход, переизбыток вселенных действительно приводит к потенциальному затруднению. Ранее я говорил, что физики, применяя какую-нибудь теорию, должны излагать её в двух ипостасях — описывать эволюцию мира с математической стороны, а затем интерпретировать полученные математические результаты с позиции нашего опыта. Но на самом деле есть ещё и третья сторона, связанная с первыми двумя, и физики должны её рассмотреть. Для квантовой механики эта третья сторона выглядит следующим образом: наша уверенность в квантовой механике идёт от её феноменального успеха в объяснении экспериментальных данных. Если физик-теоретик, используя квантовую механику, вычисляет, что при повторении некоторого эксперимента один результат будет возникать, скажем, в 9, 62 раза чаще, чем другой, то именно это физик-экспериментатор будет устойчиво наблюдать в своих экспериментах. Перевернув эту фразу, можно сказать, что если эксперимент разойдётся с квантово-механическими предсказаниями, то экспериментаторы придут к выводу, что теория не верна. На самом деле, будучи аккуратными исследователями, они сделают более осторожное заключение. Экспериментаторы скажут, что сомневаются в правильности квантовой механики, но при этом отметят, что их результаты не отвергают эту теорию полностью. Даже для монетки идеальной формы, если её подбросить 1000 раз, может не получиться ожидаемой 50-процентной вероятности выпадения орла или решки. Но чем больше отклонение, тем больше оснований подозревать, что форма монетки отнюдь не идеальна; чем больше экспериментальные отклонения от предсказаний квантовой механикой, тем сильнее экспериментаторы будут подозревать, что теория ошибочна.

То, что уверенность в квантовой механике можно поколебать на основе полученных результатов, является важным моментом. Для любой предложенной научной теории, которая была подходящим образом развита и понята, мы должны быть в состоянии сказать, хотя бы в принципе, что если при осуществлении такого и такого эксперимента мы не получаем такого и такого результата, наша вера в эту теорию должна ослабнуть. И чем сильнее наблюдения отклоняются от предсказаний, тем меньше должно быть доверия такой теории.

Одно из затруднений с многомировым подходом и причина, по которой он остаётся спорным, состоят в том, что он способен лишить нас этих способов оценки уровня доверия к квантовой механике. И вот почему. При подбрасывании монетки я знаю, что с вероятностью 50 процентов выпадет решка и с вероятностью 50 процентов выпадет орёл. Но это заключение основывается на привычном допущении, что подбрасывание монетки даёт единственный результат. Если в одном мире выпадает орёл, а в другом решка, и более того, если есть копия меня в каждом мире, смотрящая на тот или иной результат, то какой тогда смысл у обычной вероятности? В одном мире будет некто, кто выглядит точно как я, обладает всей моей памятью и искренне утверждает, что он — это я, который видит, что выпала решка; а также будет другой, также уверенный что он — это я, который видит, что выпал орёл. Так как выпадают оба результата — есть Брайан Грин, видящий решку, и Брайан Грин, видящий орла, — то привычной вероятности того, что Брайан Грин с равным успехом увидит орла или решку, теперь, по-видимому, не останется.

То же самое можно сказать и про электрон, волна вероятности которого сосредоточена вблизи Земляничных полей и мемориала Гранта (рис. 8.16б ). Традиционные квантовые рассуждения говорят, что у вас, экспериментатора, есть 50-процентая вероятность обнаружить электрон в одном из двух мест. Но в рамках многомирового подхода имеют место оба результата. Есть вы, который обнаружит электрон в Земляничных полях, и другой вы, который обнаружит его в мемориале Гранта. Поэтому как понимать традиционные вероятностные предсказания, которые в этом случае говорят, что с равной вероятностью вы обнаружите электрон в одном месте или в другом?

Естественная реакция многих людей, когда они в первый раз сталкиваются с этим вопросом, состоит в том, что они думают, что среди различных ваших копий в многомировом подходе есть какая-то одна, более реальная, чем все остальные. Даже если каждый из вас в любом из миров выглядит одинаково и имеет одинаковые воспоминания, люди будут думать, что только один из вас это действительно вы. И, продолжая эту линию рассуждения, это именно тот вы, который наблюдает один и только один результат, соответствующий вероятностным предсказаниям. Мне нравится подобный ответ. Много лет назад, когда я впервые узнал об этих идеях, я тоже так отвечал. Но эти рассуждения не имеют ничего общего с многомировым подходом. Ему свойственен минималистский стиль. Распространение волн вероятности непосредственно управляется уравнением Шрёдингера. И ничем более. Чтобы представить, что одна из ваших копий это «настоящий» вы, нужно проговорить что-нибудь в духе Копенгагенской школы. Схлопывание волны в копенгагенском подходе — это грубый способ сделать один и только один результат реальным. Если в многомировом подходе вы представите, что лишь одна ваша копия это действительно вы, то получится, что вы делаете то же самое, только менее заметно. Такие действия сведут на нет саму причину появления многомирового подхода. Он возник из попытки Эверетта исправить недочёты Копенгагенской школы, и план состоял в том, чтобы не привлекать ничего, кроме проверенного на опыте уравнения Шрёдингера.

Осознание этого выставляет многомировой подход совсем в другом свете. Наша уверенность в квантовой механике основана на экспериментальном подтверждении её вероятностных предсказаний. Однако в многомировом подходе трудно видеть, какую вообще роль играет вероятность. Тогда как можно говорить о третьей стороне вопроса, которая должна заложить основу нашей уверенности в многомировом подходе? Вот это действительно незадача.

Если подумать, то совсем не удивительно, что мы упёрлись в эту стену. В многомировом подходе нет ничего вероятностного. Распространение волны, её исходный и конечный профиль совершенно и полностью детерминировано описываются уравнением Шрёдингера. Никакой игры в кости; никакой крутящейся рулетки. В противоположность этому, в копенгагенском подходе вероятность возникает посредством туманно определённого схлопывания волны, вызванного измерением (напомним, чем больше высота волны в данной точке, тем больше вероятность того, что в результате схлопывания частица окажется именно там). Именно это является одним из ключевых моментов копенгагенской интерпретации, где начинается «игра в кости». Но так как многомировой подход отказывается от схлопывания, он отказывается от традиционной точки вхождения для вероятности.

Итак, есть ли в многомировом подходе место для вероятности?

 

⇐ Предыдущая21222324252627282930Следующая ⇒

Поделиться: