Подводя окончательный итог, мы лишь можем с уверенностью заявить, что сознательный наблюдатель действительно вызывает коллапс квантовой волновой функции. Последствия этого факта оказались гораздо глубже, чем это сначала представлялось ученым, и сейчас мы в этом убедимся.
Обычно волновая функция распространяется в большом диапазоне возможных расположений, но после сделанного наблюдения широкий диапазон свободы утрачивается и все автоматически сосредотачивается вокруг определенного положения. Как уже говорилось, такой переход от широкой волновой функции к узкой называется коллапсом волновой функции.
Рис. 4.2. Плоская волновая функция взаимодействует с флюоресцентным экраном. Когда наблюдатель смотрит на экран, он видит точку, которая может быть где угодно на экране.
Давайте посмотрим, как происходит коллапс волновой функции. Представьте себе волновую функцию отдельной частицы, скажем электрона, которая распространяется в виде плоской волны, как показано на рисунке 4.2. Для наглядности вспомните волну, когда мы говорили о брошенном в пруд камне. Изображенные плоскости похожи на рябь фронтов бегущей волны. Лучи, которые не показаны на рисунке, на самом деле линии, перпендикулярные плоскостям. (Волнистая линия на рисунке лишь напоминает о том, что волна направляется в сторону экрана.)
Если на пути электрона мы поместим флюоресцентный экран, то увидим на нем лишь одно пятно где-то на его плоскости.
Вероятность наблюдения электрона (или любой другой частицы) в заданном месте определяется его волновой функцией. (На практике физики получают математическую вероятность, когда используют квадрат волновой функции[10]. Как вы помните, дорогой читатель, мы лишь описываем процесс, избавляя вас от строгого следования математике.) До момента нашего наблюдения вероятность появления электрона в определенной точке экрана была одинаковой для всех точек, а когда волна другого электрона достигнет экрана, мы увидим другое пятно, скорее всего, в каком-то другом месте экрана. Зафиксировав такие многочисленные появления, мы получили бы равномерное распределение точек на экране.
Прежде чем мы посмотрели на экран, то есть когда мы еще обладали нулевой информацией о положении частицы, волновая функция распространялась по всему пространству как плоская волна. Но стоит нам взглянуть на пятно, мы станем обладать полезной и окончательной информацией по вопросу: «Где находится частица?» В этот момент волновая функция коллапсирует, теперь она локализована, подобно облаку, вокруг определенного положения, как показано на рисунке 4.3.
Итак, есть простой способ понять, как всё происходит, – мы должны рассматривать волновую функцию как метод доставки информации о возможностях и вероятностях. Этот метод сообщает нам, где, скорее всего, материализуется частица и, напротив, где нам не стоит ее искать. Когда волновая функция уже не находится в состоянии расплывчатой распределенности и повсюду, в ситуации «(практически) любой возможной» плоской волны, но эффективно локализована, то мы знаем, что находимся на пути к ответу на вопрос: «Где находится эта штука?»
Рис. 4.3. Расположение плотности вероятности, рассчитанной на основе волновой функции, локализованной вокруг точки. Такая волновая функция дает нам информацию, что частица, скорее всего, будет находиться в центре «облака».
До сих пор мы рассматривали волновую функцию на примере отдельной частицы. Но при описании системы из двух, трех и более частиц, не говоря уже о Вселенной в целом, волновая функция является выражением положения всех этих частиц.
Если у нас есть достаточно компьютерной мощности для обработки математических расчетов, то такая волновая функция даст нам информацию о том, как выглядит наблюдаемая нами вселенная, а также, скорее всего, что произойдет с ней в следующий момент.
Таким образом, волновая функция представляет мир, переживаемый вами как наблюдателем. Но в мире есть и другие наблюдатели.
Как мы убедились, волновая функция описывает вероятность. Но изучая реальный мир с множеством других наблюдателей, нам придется расширить наше понимание «вероятности». Возникает вопрос: одинакова ли эта вероятность для всех? Вовсе не обязательно. Каждый игрок в карты понимает, что вероятность иметь другим игроком определенную карту изменяется в зависимости от информации, полученной им во время игры. А поскольку у игроков на руках разные карты, то такой расчет вероятности для каждого из них разный. И выяснить, каким образом будут развиваться ситуации, как возникнут частицы или станут взаимодействовать перемещения, намного сложнее, если мы станем учитывать фактическую множественность реальной жизни вокруг нас, а простой термин «волновая функция» неожиданно потребует от нас сложных вычислений и мощных компьютерных ресурсов. (Мы, конечно, избавим читателя от всех этих математических трудностей.)
Мир множества наблюдателей подводит нас, наконец-то, к обсуждению «теории множества миров». В эксперименте, подобном изображенному на рисунке 4.2, до момента, когда вы взглянули на экран, наша точка могла занимать любое положение, а волновая функция экрана представляла из себя суперпозицию всех таких возможностей. Но когда вы посмотрели на экран и увидели черное пятно, отметку от удара электроном, волновая функция вероятности коллапсирует.
А теперь предположим, что на экран смотрите не вы, а ваша подруга Алиса, которая находится рядом с вами в лаборатории. Она замечает однозначный результат опыта, то есть видит где-то на экране черное пятно. Волновая функция сколлапсировала по отношению к Алисе. Но для вас коллапса не произошло, по-прежнему отражается суперпозиция всех возможных точек удара на экране. А поскольку Алиса взглянула на экран, то она запуталась в конкретном результате, отмеченном пятном на экране.
Это означает, что мир, в котором живет Алиса после обнаружения ею пятна, изменился несколькими необратимыми способами. У нее сохранилась память о своем наблюдении. Она может, если особых новостей сегодня не произошло и в ее жизни не случилось ничего сверхъестественного, рассказать нескольким друзьям, что она наблюдала и что, по ее мнению, это означает. Они же в свою очередь могут поделиться с другими, и, возможно, один из них впоследствии разместит об этом сообщение в Интернете. Это сообщение прочтет 251 человек, пять из которых сочтут его настолько важным, что оно круто поменяет их жизнь. Так, одна из них, по имени Эмма, вдохновленная описанным в Интернете экспериментом, решит возобновить учебу и выберет предметом изучения теоретическую физику. Но спустя шесть месяцев, отправившись на первое занятие, она попадет в небольшую аварию на стоянке колледжа. Там она познакомится с Майклом, другим водителем и преподавателем физики, и хотя отношения их начались с того, что Эмма на него накричала: «Смотри, куда едешь!», – в итоге они поженятся и вместе изобретут революционный метод сделать ядерное оружие еще более разрушительным. Позже технологии украдут террористы, исповедующие радикальные анти-хип-хоп-программы, и подорвут свою бомбу в Зале славы рок-н-ролла в Кливленде.
Все эти события, включая разрушение города Кливленда, неразрывно связаны с пятном, которое Алиса углядела на своем мониторе. Эти события могут проявиться или не проявиться точно так же, как возникает или не возникает точка на экране. Вместе они составляют «мир», который или является возможностью – согласно многомировой интерпретации квантовой теории, впервые предложенной физиком Хью Эвереттом в 1950-х годах, или действительностью, составляющей своего рода альтернативную реальность.
Но относительно вас волновая функция экрана и Алиса, увидевшая черную точку, – вместе с ее жизнью и жизнью ее друзей, остается в суперпозиции. Такая ситуация содержит в себе множество версий Алисы, каждая из которых видит черное пятно в другом месте на экране или не видит его вообще. Вы также можете взглянуть на экран, заметить некое пятно и услышать от Алисы подтверждение, что она видит то же самое пятно в том же самом месте. До измерения существовало много возможностей, которые мы определили как множество возможных миров, но после измерения ваше сознание «зависло» на одном из них.
Эверетт интерпретировал КТ как не просто гипотетическое множество миров: они фактически существуют как компоненты универсальной волновой функции, развивающейся в форме ветвящегося древа и никогда не разрушающейся. Вместо коллапса, который сразу же прекращает все возможности там и тогда, каждое измерение вызывает расщепление волновой функции, причем каждая результирующая ветвь содержит копию наблюдателя с отчетливой памятью о конкретном наблюдаемом результате (рисунок 4.4). Например, в одной ветке вы и Алиса видите черную точку в верхнем левом углу экрана, в другой – в правом нижнем углу и так далее. Каждая ветвь – это «мир», воспринимаемый копией вас и копией Алисы. С точки зрения каждой вашей копии волновая функция коллапсировала, переходя от одной суперпозиции, включающей в себя множество возможных результатов измерения, к волновой функции, отражающей один результат.
Рис. 4.4. Волновая функция в виде ветвящегося древа. Жирная линия представляет путь сознания. Другие пути характеризуют не мой опыт, но являются копиями того, что могло со мной произойти.
Другой ключевой момент здесь в том, что с точки зрения иного наблюдателя, который не смотрел на экран, волновая функция остается несколлапсировавшей и содержит множество копий экрана и вас. Например, если Алиса не смотрит на экран, то она воспринимает волновую функцию с множеством копий экрана и вами. Точно так же, если на экран вы не смотрите, то воспринимаете волновую функцию, которая охватывает множество копий экрана и Алису.
Приведенные выше примеры с вами и Алисой показывают, что волновая функция, содержащая ограниченный набор возможностей, всегда относится к какому-то наблюдателю. Это первое и простейшее доказательство, что волновая функция зависит от наблюдателя, и также оно показывает, что данное утверждение вовсе не являетс