Уходящие в темноту. Собрание сочинений в 30 книгах. Книга 22

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, 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.

Это противоречие и разрешил Хью Эверетт. Идея его проста, она является прямым и непосредственным следствием самой же квантовой теории, но именно потому революционна. Вот что писал Эверетт в своей диссертации:

«…С точки зрения теории все элементы суперпозиции (все „ветви“) являются „действительными“: ни один не более „реален“, чем остальные. Не нужно полагать, что все элементы, кроме одного, так или иначе разрушаются, так как все отдельные элементы суперпозиции индивидуально подчиняются волновому уравнению с полным безразличием к присутствию или отсутствию („реальности“ или нет) любых других элементов…»

Иными словами, никакого придуманного коллапса волновой функции не существует, и в момент наблюдения фиксируется не какое-то единственное состояние частицы, а все сразу! Но каждое состояние фиксируется «своим» наблюдателем. «Наш» наблюдатель обнаруживает электрон в состоянии номер 1, но в то же время наблюдатель номер 2 фиксирует состояние номер 2, наблюдатель 3 фиксирует… и так далее. Сколько решений имеет уравнение Шредингера, столько наблюдателей фиксируют все возможные состояния электрона. Возможно ли это в единственной Вселенной? Нет, невозможно. Значит, в момент наблюдения мироздание «расщепляется» на множество ветвей-вселенных, отличающихся друг от друга только тем, что в одной вселенной электрон наблюдали в состоянии 1, в другой – в состоянии 2 и так далее. Сколько решений имеет уравнение Шредингера, столько вселенных и возникает в момент наблюдения. А поскольку разнообразных событий каждое мгновение происходит великое множество, то и расщепляется мир на великое множество почти неотличимых копий, каждая из которых развивается по своему собственному пути. И потому на самом деле существует не одна вселенная – та, что представлена нашему взору и сознанию, – а великое множество вселенных.

Предвидя возражения, Эверетт писал:

«Аргументы, согласно которым картине мира, представленной этой теорией, противоречит опыт… подобны критике коперниканской теории на том основании, что подвижность Земли как реальный физический факт является несовместимой с интерпретацией природы здравым смыслом, поскольку мы не чувствуем такого движения».

Действительно: как же такое возможно? Из-за того, что состояние электрона или любой другой частицы в любом месте нашей Вселенной описывается уравнением, имеющим не одно, а много решений, каждое мгновение возникает огромное число вселенных? С миллиардами галактик? И в каждой есть Земля? И мы с вами? А из чего они возникают? Откуда берется масса? И как вообще возможно мгновенное появление вселенной, имеющей размеры в миллиарды световых лет? Как быть с постулатом Эйнштейна о том, что ничто не способно перемещаться быстрее света?

Естественные вопросы, подсказанные здравым смыслом. Ответы на эти вопросы дает эвереттика (или, как ее называют физики на Западе: многомировая интерпретация) – область знаний, изучающая многомирие по Эверетту.

Вселенная (Universe) существует не в единственном варианте, а в неисчислимом множестве, которое физики назвали Мультиверсом (Multiverse).

Новые вселенные не возникают «из ничего» в момент наблюдения, они существуют в реальности так же, как существует, а не возникает из небытия, волновая функция. Электрон в любой момент времени находится в суперпозиции всех возможных состояний. И все эти состояния существуют реально, потому что ни одно из них не имеет преимуществ перед другими.

Сказанное относится не только к электрону, но и ко всей нашей Вселенной, и к каждой ее части, и к каждому из нас, потому что и электрон, и мы с вами, и вся Вселенная описываются волновыми функциями, решениями соответствующих уравнений Шредингера. Уравнения для изолированного электрона физики решать умеют, а для сложных систем – нет. Тем более – для систем, состоящих из триллионов элементарных частиц, как мы с вами или Вселенная. Но от того, что физики умеют или не умеют делать, мироздание не становится проще или сложнее – оно такое, какое есть. Это бесконечно сложная квантовая система, проявляющая себя бесконечным (или почти бесконечным) числом классических миров, один из которых мы и наблюдаем вокруг себя. Существуют и другие – как грани бесконечно сложного кристалла (кстати, именно такой образ придумал для описания квантового мира российский физик Михаил Менский, и в физической литературе этот «кристалл» носит название «кристалла Менского»).

Каждый из нас обладает свободой воли. Каждый из нас свободно решает по утрам, например, налить кофе или чай, а может, позволить себе рюмку коньяка. Вы выбрали чай? Это означает, что и другие ваши решения существуют в Мультиверсе – есть мир, в котором вы налили себе кофе, и мир, где вы опрокинули рюмочку коньяка.

Идея Мультиверса позволила разрешить и давний теологический спор, о котором я писал в начале статьи. Да, Бог все знает, и, тем не менее, истинная свобода воли существует. В любой ситуации вы можете поступить так, как вам подсказывают интуиция, совесть, обстоятельства, советы близких – как угодно, и каждый ваш выбор известен Богу, поскольку каждый осуществляется – в своей вселенной. Теологические аргументы в пользу многомирия сейчас активно обсуждаются, и мы поговорим об этом в другой статье.

Эвереттика как область науки значительно изменилась со времени первой статьи Эверетта, как изменилась теория эволюции по сравнению с «Происхождением видов» Дарвина. Российский ученый Юрий Лебедев, например, ввел в обиход понятие склеек, противоположное эвереттовскому ветвлению. Миры не только ветвятся, создавая неисчислимое многообразие Мультиверса, но и «склеиваются», пересекаются, и тогда можно наблюдать интересные феномены появления и исчезновения предметов. А в случае ментальных склеек мы можем «общаться» с самими собой в других ветвях Мультиверса, и тогда нас посещают неизвестно, казалось бы, откуда взявшиеся озарения и идеи.

* * *

23 апреля 1956 года Эверетт успешно защитил диссертацию, и в тот день Вселенная расщепилась, возникла ветвь мироздания, в которой диссертацию защитить не удалось, и опечаленный Эверетт бросил занятия теоретической физикой.

В нашей реальности Эверетт диссертацию защитил и идеи свои в 1957 году изложил в статье «Интерпретация квантовой механики через соотнесенные состояния», опубликованной в престижном журнале «Reviews of Modern Physics».

Научный мир предпочел не заметить работу молодого ученого. Ее так упорно обходили вниманием, что лет двадцать спустя профессор Джеммер назвал работу Эверетта «одним из самых крепких секретов нашего века». А сам автор многомировой интерпретации занялся стратегическим планированием и программированием в фирме Lambda Corp.

В конце семидесятых годов прошлого века физики стали упоминать работу Эверетта в своих публикациях, а сейчас число серьезных теоретических исследований в области многомирия растет, как снежный ком. Современная физика находит для гипотезы Мультиверса все больше убедительных аргументов. Известный русский физик Андрей Линде, автор космологической теории инфляции, говорит о многомирии, как о прямом следствии инфляционной модели. К многомирию пришли и физики, разрабатывающие теорию суперструн. Мультиверс является физикам в огромном многообразии проявлений.

Полтора десятилетия назад 58% ведущих американских физиков считали, что трактовка Эверетта «правильная», 13% полагали, что она «скорее правильная, чем ошибочная», и только 18% отвергали возможность существования Мультиверса. За прошедшие годы число приверженцев эвереттики лишь увеличилось. Лауреат Нобелевской премии, известный физик Стивен Вайнберг сказал во время одной из своих лекций: «О Мультиверсе существует многообразие мнений, и точки зрения ученых значительно отличаются. В аэропорту Остина, по пути на эту встречу, я заметил на прилавке октябрьский выпуск журнала „Астрономия“, имевший на обложке заголовок: „Почему вы живете в множественных вселенных“. Внутри я нашел сообщение о дискуссии на конференции в Стэнфорде, где Мартин Рис сказал, что он уверен в реальности Мультиверса настолько, чтобы держать пари на жизнь его собаки, в то время как Андрей Линде сказал, что готов держать пари на свою собственную жизнь. Что касается меня, то у меня достаточно веры в Мультиверс, чтобы держать пари на жизни и собаки Мартина Риса, и Андрея Линде».

В чувстве юмора физикам не откажешь, но многие ученые, признавая красоту многомировой интерпретации, считают, что доказать реальность Мультиверса будет исключительно трудно, если вообще возможно. Любая теория проверяется экспериментом, наблюдениями. Можно ли наблюдать иные вселенные, иные ветви Мультиверса?

Похоже, что да. Такие эксперименты уже проводятся, и начало им положила работа израильских физиков Авшалома Элицура и Льва Вайдмана, опубликованная в 1994 году.

Как увидеть черную кошку в черной комнате?

Многие физики считают, что многомирие – красивое предположение, действительно избавляющее квантовую механику от странного парадокса коллапсирующей волновой функции. «Но, – продолжают они, – всякая научная теория, согласно Проппу, должна быть верифицируемой и фальсифицируемой. Иными словами, истинно научную теорию можно проверить в эксперименте, а можно и опровергнуть. Однако ни проверить экспериментом, ни опровергнуть предположение о многомирии невозможно, а потому это не физическая теория, а всего лишь философическое измышление».

И это действительно было так лет двадцать назад. Уже в начале девяностых годов прошлого века физики обсуждали несколько вариантов «многомирий» и не представляли, как доказать, что существует на самом деле хотя бы одно из них. Многомирие получалось, например, в расчетах инфляционной модели Большого взрыва, которую предложил Андрей Линде. Если предположения и расчеты правильны, то, оказывается, в результате хаотического процесса инфляции после Большого взрыва возникает не единственная Вселенная, а великое множество вселенных, которые «отпочковываются» друг от друга подобно виноградной грозди. И казалось, что проверить (доказать или опровергнуть) это утверждение не удастся никогда: ведь другие вселенные многомирия по Линде образуются за пределами нашей, видимой, Вселенной!

Однако в 2012 году были опубликованы результаты измерений температуры реликтового излучения в разных точках неба, и неожиданно оказалось, что это излучение не так однородно, как представлялось прежде. Видны странные области с пониженной температурой реликтового фона, и ученые выдвинули гипотезу: наша Вселенная столкнулась с другой, соседней, вселенной, результат этого столкновения мы и наблюдаем. Значит, существуют другие вселенные! Значит, многомирие – реальность?

А есть еще многомирие по Эверетту. Предположение о том, что всякий раз, когда в природе происходит процесс, имеющий несколько возможных исходов, то реализуется не один вариант (в нашей вселенной), а все, какие только возможны (но каждый – в своей вселенной). То есть, в результате любого физического процесса вселенная ветвится, возникают новые вселенные, которые затем развиваются своим путем. У многих физиков (а не у физиков – тем более) сложилось мнение, что доказать многомирие по Эверетту невозможно (недавно считалось, что невозможно доказать многомирие и по Линде). На самом деле и этот вид многомирия можно обнаружить экспериментально. Не только можно – это уже было сделано больше десяти лет назад! А сегодня с помощью иных миров можно наблюдать то, что, казалось, увидеть невозможно в принципе.

Вот пример.

Как обнаружить черную кошку в черной комнате, не зная даже, находится ли там кошка? По идее, нужно или зафиксировать хотя бы один фотон, этой кошкой излученный (но тогда кошка перестает быть черной), или осветить кошку каким-нибудь излучением (но тогда перестает быть черной комната, в которой проводятся измерения). В обоих случаях или кошка, или комната перестают быть черными, и сам эксперимент теряет смысл.

А можно ли обнаружить местоположение черной кошки в черной комнате, не получив от нее ни одного фотона – излученного или отраженного?

Классическая физика дает на этот вопрос однозначный ответ: нет, невозможно. Однако с появлением квантовой физики и, особенно, после работы Хью Эверетта, предположившего существование не одного, а множества ветвящихся миров, ситуация принципиально изменилась. Квантовые законы позволяют узнать, есть ли кошка в комнате, и даже более того – выяснить, где именно она находится, не только не касаясь бедного животного, но не получив от него ни единого фотона. Мы можем сказать «в нашем мире здесь есть кошка» или «в нашем мире здесь ее точно нет», получив информацию из другой ветви эвереттовского многомирия, т. е. мы можем узнать о существовании предмета, не имея от него ни единого бита реальной информации, и все это – благодаря странным свойствам квантового ветвящегося мира.

Метод, с помощью которого можно изучать предмет, никак с ним не соприкасаясь, получил название бесконтактного метода измерений, и ученые, исследующее это удивительное явление, считают, что в будущем вся измерительная техника станет совсем другой. Возможно это только в том случае, если мы живем в реальном многомирии. В ветвящейся Вселенной.

В 1993 году два израильских физика Авшалом Элицур и Лев Вайдман описали в статье, опубликованной в Found. Physics, интересный мысленный эксперимент. «Предположим, – сказали они, – что на складе находятся бомбы, половина из которых исправна, а половина испорчена. Нужно отделить исправные бомбы от испорченных. Но есть одна особенность: каждая бомба (неважно – исправна она или нет) снабжена детектором, и если на него попадет один-единственный фотон, исправная бомба немедленно взорвется. Неисправная бомба не взорвется, конечно, но нам-то какая от этого польза, если в результате проверки мы будем иметь только неисправные бомбы, а все исправные взорвутся – ведь невозможно обнаружить что бы то ни было, не направив на предмет луч света или не получив от предмета излученный им фотон».

Если предположить (согласно идее Эверетта), что при каждом взаимодействии мироздание расщепляется, то всё не так, и Элицур с Вайдманом придумали способ, с помощью которого можно определить, исправна ли бомба, вообще ее не касаясь и ни единым фотоном не нарушая ее спокойствие.

Для этого они предложили использовать интерферометр Маха-Цандера. От обычного прибор отличается наличием двух зеркал, полностью отражающих падающий на них свет, и двух полупрозрачных – половину фотонов эти зеркала пропускают, а половину отражают. Расположены зеркала таким образом:

Рисунок 1. Слева внизу – источник света (фотонов). А и В – детекторы, фиксирующие попадание (или отсутствие) фотона. Черные параллелограммы – зеркала, полностью отражающие излучение, серые – полупрозрачные. Бомба, которую нужно обнаружить и протестировать, расположена на нижнем рисунке под первым (полупрозрачным) зеркалом.

«Давайте, – предложили Элицур и Вайдман, – под одним из зеркал поместим бомбу, о которой мы хотим узнать, исправна она или нет. Запустим в интерферометр один-единственный фотон и посмотрим, что произойдет».

Фотон может двигаться от зеркала к зеркалу разными путями, и Элицур с Вайдманом рассмотрели, что будет происходить в каждом случае. В конце пути – это легко видеть на схеме – фотон будет зарегистрирован или детектором А, или детектором В, других возможностей нет. Какой из них сработает, зависит от хода лучей света в каждом конкретном эксперименте.

Не будем подробно разбирать ход лучей и реакцию детекторов: читатели-физики, заинтересовавшись этой проблемой, найдут описание эксперимента в специальной литературе, а остальные, надеюсь, поверят автору в том, что физики-экспериментаторы, взявшиеся за проверку идеи Элицура и Вайдмана, не нашли в ней никаких противоречий. Здесь нам важно увидеть собственными глазами схему устройства, с помощью которого многомирие Эверетта впервые стало предметом физического экспериментирования.

Оказалось, что если Эверетт неправ и многомирия не существует, то нет никакой возможности обнаружить исправную бомбу, направив на нее фотон (бомба непременно взорвется!). Если же многомирие существует, есть не равная нулю вероятность того, что исправная бомба будет обнаружена и не взорвется. Точнее: взорваться-то она взорвется, но не в нашей Вселенной, а в другой, принадлежащей другой ветви многомирия! В нашей же Вселенной взрыва не произойдет, хотя бомба исправна.

Элицур и Вайдман показали, что, если многомирие существует, то с вероятностью 25% единственный фотон обнаружит исправную бомбу, не взорвав её.

Коллеги, тщательно изучившие мысленный эксперимент Элицура-Вайдмана, не нашли в их анализе противоречий или ошибок и вынуждены были признать: да, если многомирие существует, то можно получить информацию о предмете, никак его не касаясь! Но… только в четверти случаев. Хорошая, казалось бы, идея, но ведь в трех случаях из четырех бомба все равно взорвется, и только о каждой четвертой бомбе мы будем знать, что она исправна, не коснувшись ее взрывателя. Не очень большая эффективность, верно?

Важен, однако, принцип – с помощью эксперимента Элицура-Вайдмана можно экспериментально доказать существование многомирия!

Кроме того, если в многомирии возможно что-то измерять, никак с предметом не контактируя, то наверняка существуют и способы увеличить вероятность нужного измерения?

Однако, прежде предстояло осуществить мысленный эксперимент Элицура-Вайдмана на практике и доказать экспериментально, что хотя бы в четверти случаев можно что-то измерять, ничего не измеряя. Увидеть, не видя, и доказать, что Эверетт прав.

В 1994 году такой эксперимент был поставлен Полом Квятом из университета в Иннсбруке (сейчас Квят – член совета Оппенгеймеровской Национальной лаборатории в Лос-Аламосе) и Томасом Герцогом из Женевского университета. Они действительно использовали для опытов интерферометр с четырьмя зеркалами, как предлагали Элицур с Вайдманом. Правда, вместо бомбы взяли все же обычное зеркало – не взрывать же установку, а с ней и всю лабораторию, в трех случаях из четырех, если Элицур с Вайдманом правы!

И все получилось так, как предсказывали израильские физики. В каждом четвертом эксперименте Квят зафиксировали присутствие зеркала, хотя фотон этого зеркала не касался!

Таким образом, многомирие по Эверетту получило подтверждение.

Квят и его сотрудники сделали, однако, и следующий шаг. Если удлинить схему, – рассуждали физики, – и поставить восемь зеркал вместо четырех, то вероятность зафиксировать детектором присутствие невидимой бомбы (зеркала) должна, согласно теоретическим выкладкам, увеличиться вдвое и достичь 50%. То есть, в таком эксперименте «исправную бомбу» можно обнаружить, не касаясь ее взрывателя-зеркала, в каждом втором случае. Правда, сам процесс наблюдений при этом усложнялся, но это уже всего лишь технические детали.