Загадки только усложняются, если обратиться к проблеме измерения. К 1950-м годам позиция копенгагенской школы оформилась в доктрину, и физики примирились с идеей о том, что при акте измерения происходит коллапс волновой функции. Они даже согласились рассматривать процесс измерения как фундаментальную составляющую нашего лучшего описания природы. Или по крайней мере, не слишком об этом беспокоиться.
Но что делать, если рассматриваемая квантовая система – это целая Вселенная? В копенгагенском подходе критически важно разграничение между измеряемой квантовой системой и классическим наблюдателем, который выполняет измерение. Если система – это вся Вселенная, то все мы находимся в ней; нет никакого внешнего наблюдателя, к которому можно было бы апеллировать. Годы спустя Стивен Хокинг и другие ученые принялись изучать квантовую космологию, чтобы обсудить, как в самодостаточной Вселенной мог наступить самый первый момент времени, предположительно тот, в который произошел Большой взрыв.
В то время как Уилер и другие размышляли о технических проблемах квантовой гравитации, Эверетт увлекся этими концептуальными проблемами – особенно тем, как быть с измерениями. Ростки многомировой интерпретации проклюнулись в ходе затянувшейся за полночь дискуссии, состоявшейся в 1954 году. Тогда Эверетт беседовал с молодыми коллегами-физиками: Чарльзом Мизнером (также учеником Уилера) и Оге Петерсеном (ассистентом Бора, приехавшим из Копенгагена). Все участники сошлись во мнении, что по этому случаю было выпито изрядное количество хереса.
Очевидно, рассуждал Эверетт, если мы собираемся говорить о Вселенной в терминах квантовой теории, мы не можем выделить отдельную классическую область. Каждую часть Вселенной потребуется рассматривать согласно правилам квантовой механики, то же касается и наблюдателей внутри нее. Будет всего одно квантовое состояние, описываемое (термин предложил Эверетт) «универсальной волновой функцией» (а мы называем ее «волновой функцией Вселенной»).
Если все в мире квантовое, а Вселенная описывается единой волновой функцией, то как же должно происходить измерение? По всей видимости, полагал Эверетт, измерение происходит, когда одна часть Вселенной каким-то подходящим образом взаимодействует с другой ее частью. Он отметил, что подобное должно происходить автоматически, просто в силу эволюции волновой функции согласно уравнению Шрёдингера. Нам вообще не требуется изобретать никаких специальных правил измерения, ведь физические контакты происходят постоянно.
Именно поэтому, подготовив работу на эту тему, Эверетт назвал ее «Формулировка квантовой механики через “соотнесенные состояния”». Когда измерительный прибор взаимодействует с квантовой системой, они оказываются в состоянии запутанности друг с другом. Здесь нет никаких коллапсов волновой функции или классических областей. Сам прибор эволюционирует в суперпозицию, запутываясь с состоянием наблюдаемого предмета. Определенный с виду результат измерения («у электрона верхний спин») справедлив только по отношению к конкретному состоянию аппарата («я измерил спин электрона и узнал, что он верхний»). Другие возможные результаты экспериментов по-прежнему существуют и совершенно реальны, но относятся к другим мирам. Все, что от нас требуется – набраться смелости и признать то, о чем квантовая механика «пытается рассказать» нам с самого начала.
Давайте подробнее проговорим о том, что именно происходит в момент измерения, согласно теории Эверетта.
Допустим, у нас есть вращающийся электрон, который можно наблюдать в состоянии либо верхнего, либо нижнего спина относительно некоторой выбранной оси. До измерения электрон обычно находится в некоторой суперпозиции верхнего и нижнего спинов. Также у нас есть измерительный прибор, который сам является полноценной квантовой системой. Представьте, что она может находиться в суперпозиции трех разных возможностей: в ней может быть измерен верхний спин, в ней может быть измерен нижний спин либо спин может быть еще не измерен – последняя ситуация называется состоянием «готовности».
Тот факт, что измерительный прибор работает, говорит нам о том, как совместное состояние комбинированной системы «спин + измерительный прибор» эволюционирует согласно уравнению Шрёдингера. А именно, если начать с прибора в состоянии готовности и электрона в чистом состоянии верхнего спина, то состояние прибора гарантированно эволюционирует в чистое состояние «измерен верхний спин»:
Исходное состояние слева можно трактовать как: «верхний спин, прибор в состоянии готовности», тогда как состояние справа, где индикатор показывает на стрелку вверх, означает: «верхний спин, прибор измерил его и показал, что он верхний».
Аналогично возможность успешно измерить чистый нижний спин подразумевает, что прибор должен перейти из состояния «готовности» в состояние «измерен нижний спин»:
Естественно, мы хотим понять, что происходит, когда изначально спин находится не в чисто верхнем и не в чисто нижнем состоянии, а в некоторой суперпозиции обоих. Хорошая новость: нам уже известно все для этого необходимое. Правила квантовой механики ясны: если вы знаете, как эволюционирует система, начиная с двух разных состояний, то эволюция суперпозиции обоих этих состояний будет просто суперпозицией двух эволюций. Иными словами, имея в начале эксперимента спин в некоторой суперпозиции и измерительное устройство в состоянии готовности, получаем:
Итоговое состояние теперь представляет собой запутанную суперпозицию: спин верхний и измерен как верхний, плюс спин нижний и измерен как нижний. В этот момент уже не вполне корректно говорить: «спин находится в суперпозиции» или «прибор находится в суперпозиции». Запутанность не позволяет нам говорить о волновой функции спина или волновой функции устройства по отдельности, так как наблюдаемое состояние одного из этих компонентов может зависеть от того, в каком состоянии мы наблюдаем второй. Единственное, что мы можем сказать: «система “спин + прибор” находится в суперпозиции».
Это конечное состояние является ясной, однозначной, определенной и конечной волновой функцией для комбинированной системы «спин + прибор», если все, что мы делаем с системой, это преобразуем ее в соответствии с уравнением Шрёдингера. В этом и заключается секрет эвереттовской квантовой механики. Уравнение Шрёдингера предписывает, что состояние точного измерительного прибора постепенно эволюционирует в макроскопическую суперпозицию, которую мы в конечном итоге интерпретируем как разветвление на отдельные миры. Мы не привносим миры в эту картину – они существовали всегда, и уравнение Шрёдингера неизбежно делает их реальными. Проблема в том, что в воспринимаемой нами реальности нам не попадаются суперпозиции, в которые были бы вовлечены крупные макроскопические объекты.
Традиционный способ обойти эту проблему – всячески выкручиваться с правилами квантовой механики. Согласно одним подходам, уравнение Шрёдингера применимо не всегда, другие трактовки таковы, что кроме волновой функции требуется учитывать иные переменные. Копенгагенская интерпретация с самого начала запрещает считать измерительный прибор частью квантовой системы, а коллапс волновой функции трактует как отдельный способ эволюции квантового состояния. Так или иначе, все подходы сопряжены с ухищрениями, лишь бы не считать суперпозиции, подобные вышеописанной, истинным и полным описанием природы. Как впоследствии выразился Эверетт, «Копенгагенская интерпретация безнадежно неполна, поскольку априори опирается на классическую физику… кроме того, со своей концепцией “реальности” макроскопического мира и отказом в ней миру микрокосмоса она чудовищна в философском отношении».
Эверетт предлагал простой выход: прекратить изворачиваться. Принять ту реальность, которая раскрывается в уравнении Шрёдингера. Обе части конечной волновой функции действительно существуют. Они просто описывают отдельные, более никогда не пересекающиеся миры.
Эверетт не привносил в квантовую механику ничего нового, а, напротив, удалил некоторые избыточные громоздкие части ее формализма. По выражению физика Теда Банна, любая неэвереттовская версия квантовой механики – это теория об «исчезающих мирах». Если вас не устраивает множественность миров, то придется повозиться либо с природой квантовых состояний, либо с их обычной эволюцией, чтобы от этих миров избавиться. Стоит ли игра свеч?
Здесь назревает вопрос. Нам известно, как волновые функции представляют суперпозиции различных возможных результатов измерений. Волновая функция электрона может поместить его в суперпозицию различных возможных координат, а также в суперпозицию верхнего и нижнего спинов. Но у нас не возникает искушения сказать, что каждое из слагаемых суперпозиции существует в отдельном «мире». Действительно, такое утверждение было бы непоследовательным. Электрон, находящийся в чистом состоянии верхнего спина по вертикальной оси, находится в суперпозиции верхнего и нижнего спинов относительно горизонтальной оси. Сколько же миров описывает такая волновая функция – один или два?
Эверетт подумал, что логически непротиворечиво предположить следующее: суперпозиции, в которые вовлечены макроскопические объекты, описывают разные миры. Но на тот момент, когда он это писал, у физиков еще не было достаточного технического оснащения, чтобы эта идея могла оформиться окончательно. Понимание пришло позже, когда удалось осмыслить феномен под названием «декогеренция». Идея декогеренции, предложенная в 1970 году немецким физиком Хансом Дитером Цехом, заняла центральное место в представлениях ученых о квантовой динамике. Для современного эвереттианца декогеренция – абсолютно необходимый элемент для осмысления квантовой механики. Она раз и навсегда объясняет кажущийся «коллапс» волновой функции при измерении квантовых систем – а также что на самом деле представляет собой «измерение».
Мы знаем, что существует всего одна волновая функция – волновая функция Вселенной. Но говоря об отдельных микроскопических частицах, мы учитываем, что они могут оказаться в таких квантовых состояниях, которые не будут запутаны со всем остальным миром. В таких случаях разумно говорить о «волновой функции данного конкретного электрона» и так далее, держа в уме, что это всего лишь удобное упрощение, допустимое при изучении систем, не запутанных с чем-либо еще.