С макроскопическими объектами все не так просто. Рассмотрим наш аппарат для измерения спина и предположим, что мы поместили его в суперпозицию, измерив верхний и нижний спины. На циферблате этого прибора есть стрелка, указывающая либо вверх, либо вниз. Подобный аппарат не отделен от всего остального мира. Даже если кажется, что он просто стоит на месте, в него постоянно врезаются молекулы воздуха, от него отскакивают фотоны видимого света и так далее. Назовем прочую материю – то есть всю остальную Вселенную – средой. В обычных ситуациях невозможно предотвратить взаимодействие макроскопического объекта с окружающей средой, даже если делать все очень аккуратно. Вследствие этих взаимодействий аппарат оказывается запутан с окружающей средой: например, фотон отразится от него, если стрелка будет в одном положении, но будет поглощен, если стрелка будет указывать куда-то еще.
Таким образом, волновая функция, записанная выше, где аппарат был запутан с кубитом, не отражала всю ситуацию целиком. Заключив состояния среды в фигурные скобки, мы должны были бы записать:
В данном случае не важно, каковы именно состояния окружающей среды, поэтому мы изобразили их как разный фон и обозначили {C0}, {C1} и {C2}. Мы не будем (и как правило, не сможем) отслеживать, что именно происходит в среде, – это слишком сложно. Дело не ограничивается тем, что единственный фотон по-разному взаимодействует с разными компонентами волновой функции аппарата, – фотонов будет огромное множество. Никто не может отследить действия каждого фотона и каждой частицы в комнате.
Этот простой процесс – когда макроскопические объекты запутываются с окружающей средой, которую мы не можем отследить, – и называется декогеренцией, следствия которой меняют всю Вселенную. Декогеренция вызывает разделение, или ветвление, волновой функции на множество миров. Любой наблюдатель разделяется на множество копий вместе со всей остальной Вселенной. После каждого ветвления каждый из таких «клонов» наблюдателя оказывается в мире, где измерение привело к некоторому конкретному результату. Всем клонам кажется, что волновая функция сколлапсировала. Но мы-то знаем, что коллапс кажущийся и обусловлен декогеренцией, приводящей к разветвлению волновой функции.
Мы не знаем, как часто происходит ветвление и разумно ли вообще задавать этот вопрос. Все зависит от того, конечно или бесконечно число степеней свободы во Вселенной, и на этот вопрос фундаментальная физика сегодня ответа не дает. Но мы знаем, что ветвление происходит очень активно: оно случается всякий раз, когда квантовая система, находящаяся в суперпозиции, запутывается с окружающей средой. В теле человека каждую секунду происходит радиоактивный распад примерно 5000 атомов. Если при каждом акте распада волновая функция делится надвое, это означает, что каждую секунду возникает 25000 новых ветвлений. Это чрезвычайно много.
Все-таки что же такое «мир»? Мы только что записали всего одно квантовое состояние, описывающее спин, аппарат и окружающую среду. Почему мы говорим, что это состояние описывает два мира, а не один?
Хорошо бы, чтобы в одном мире соблюдалось следующее условие: его разные части, по крайней мере, могут влиять друг на друга. Рассмотрим такой сценарий «призрачного мира» (не как описание реальности, а в качестве запоминающейся аналогии): умирая, любое существо превращается в призрак. Эти призраки могут видеть друг друга и общаться друг с другом, но не могут видеть нас и говорить с нами – то же касается и нас. Они живут на отдельной Призрачной Земле, где могут строить себе призрачные дома и ходить на свою призрачную работу. Но ни они, ни их окружение не могут взаимодействовать с нами и окружающей нас материей каким-либо образом. В данном случае разумно говорить, что призраки населяют по-настоящему отдельный призрачный мир, по той фундаментальной причине, что любые события призрачного мира абсолютно никак не влияют на события, происходящие в нашем мире.
Теперь применим такой же критерий к квантовой механике. Нас не интересует, могут ли спин и прибор, его измеряющий, влиять друг на друга, – очевидно, могут. Нас волнует, может ли один компонент, скажем, волновой функции аппарата (например, элемент функции, где стрелка на циферблате указывает вверх) влиять на другой компонент – скажем, на тот, где стрелка указывает вниз. Ранее мы уже сталкивались ровно с такой ситуацией – той, в которой волновая функция влияет сама на себя, – когда рассматривали феномен интерференции в эксперименте с двумя щелями. Когда мы пропускали электроны через две щели, не фиксируя, через которую из щелей они прошли, на экране за щелями мы наблюдали интерференционные полосы – и приписывали такой эффект взаимному гашению и усилению тех вероятностных вкладов, которые поступают от обеих щелей. Критически важно следующее: в данном случае подразумевалось, что электрон по пути к экрану не взаимодействовал и не запутывался с чем бы то ни было, то есть декогеренция не происходила.
Если же, напротив, мы фиксировали, через какую из щелей прошел электрон, интерференционные полосы исчезали. На тот момент мы связывали это с самим фактом измерения, в результате которого волновая функция электрона коллапсировала, и он проходил ровно через одну из двух щелей. Но Эверетт рассказывает нам гораздо более убедительную историю.
На самом деле электрон запутывался с детектором, проходя через щель, а детектор после этого быстро запутывался с окружающей средой. Этот процесс аналогичен вышеописанному процессу со спином, с той лишь разницей, что на этот раз мы измеряли, через какую из щелей прошел электрон – левую (L) или правую (R):
Никаких таинственных коллапсов: волновая функция осталась на своем месте, она успешно продолжает эволюционировать согласно уравнению Шрёдингера, оставляя нас в суперпозиции с двумя запутанными состояниями. Однако обратите внимание, что происходит, когда электрон продолжает путь к экрану. Как и ранее, состояние любого электрона, оказавшегося в определенной точке экрана, складывается из двух составляющих: одна от левой щели L, а другая от правой R. Но теперь эти составляющие не интерферируют друг с другом. Чтобы получить интерференцию, мы должны сложить две равные по модулю противоположные величины:
1 + (–1) = 0.
Но на экране нет такой точки, где нашлись бы равные по модулю и при этом противоположные слагаемые волновой функции электрона от щелей L и R, так как, проходя через эти щели, электрон запутывается с разными состояниями остальной части мира. Говоря «равные и противоположные», мы имеем в виду именно «равные и противоположные», а не «равные и противоположные, не считая той штуки, с которой возникла запутанность». Попадание в запутанность с различными состояниями детектора и среды – иными словами, наступление декогерентности – означает, что две части волновой функции электрона больше не могут интерферировать друг с другом. Таким образом, они вообще не могут взаимодействовать. Поэтому, во всех смыслах, они относятся к отдельным мирам[13]. Для всех объектов, запутанных с одной ветвью волновой функции, остальные ветви волновой функции будут просто «пристанищем призраков».
Многомировая интерпретация квантовой механики раз и навсегда избавляется от всех тайн, связанных с процессом измерения и коллапсом волновой функции. Нам не требуются специальные правила, по которым следовало бы проводить наблюдение: волновая функция постепенно эволюционирует в соответствии с уравнением Шрёдингера. Нет ничего особенного в «измерении» и «наблюдателе». Измерение – это любое взаимодействие с квантовой системой, из-за которого она запутывается с окружающей средой, провоцирующее декогеренцию и ветвление на отдельные миры, а наблюдатель – это любая система, с подачи которой происходит такое взаимодействие. В частности, сознание никак с этим не связано. В качестве «наблюдателя» может выступать дождевой червь, микроскоп или камень. Нет даже ничего особенного в макроскопических системах, за тем исключением, что им никак не уйти от взаимодействий с окружающей средой и, следовательно, запутывания с нею. Цена, которую мы платим за столь простую и мощную унификацию квантовой механики, – признание существования множества отдельных миров.
Эверетт не был знаком с декогеренцией, поэтому предложенная им картина не была такой надежной и полной, какой мы ее изобразили. Но его способ переосмысления проблемы измерения и предложенная им унифицированная картина квантовой механики с самого начала располагали к себе. Даже в теоретической физике бывает обычное везение – человек нащупывает важную идею, поскольку оказался в нужном месте в нужное время, а не в силу собственной исключительности. Но не таков был Хью Эверетт: все, кто его знал, в один голос говорят о его невероятной интеллектуальной одаренности. Из его текстов понятно, что он целиком и полностью понимал значение своих идей. Если бы он дожил до наших дней, то с успехом подключился бы к современным дискуссиям об основаниях квантовой механики.
Сложнее было убедить в ценности этих идей других людей – в том числе его научного руководителя. Лично Уилер оказывал Эверетту большую поддержку, но также был предан и своему наставнику Бору и убежден в разумности копенгагенской интерпретации. С одной стороны, он хотел широко объявить об идеях Эверетта, но с другой – желал убедиться, что они не будут восприняты как прямое посягательство на боровскую трактовку квантовой механики.
Но теория Эверетта действительно напрямую атаковала предложенную Бором картину. Сам Эверетт это знал, и ему нравилось излагать суть этой атаки в образных выражениях. Так, в одном из ранних вариантов своей диссертации Эверетт иллюстрировал ветвление волновой функции, проводя аналогию с делением амебы: «Можно представить разумную амебу с хорошей памятью. По мере того как идет время, амеба все время делится, и всякий раз дочерние амебы имеют всю память предка. Следовательно, у амебы будет не линия жизни, а древо жизни». Уилеру претила прямота этой (довольно точной) метафоры, набросанной на полях рукописи. «Делится? Подберите слово получше». Научный руководитель и ученик без конца спорили о том, как лучше выразить новую теорию: Уилер выступал за осторожные и благоразумные формулировки, а Эверетт – за смелость и ясность.