ина для исследований), и потому, что при сравнении совершенно разных механизмов, на которых они основаны, мы полнее понимаем квантовую механику независимо от того, какой конкретный подход нам больше понравится.
За годы работы было предложено впечатляющее множество альтернативных формулировок квантовой теории (в соответствующей статье английской «Википедии» отдельно упоминается шестнадцать «интерпретаций», а также есть категория «другие»). Здесь мы рассмотрим три основных подхода, конкурирующих с эвереттовским: динамический коллапс, скрытые переменные и эпистемологические теории. Список далеко не исчерпывающий, но хорошо иллюстрирующий основные стратегии, которыми пользовались ученые.
Достоинством многомировой интерпретации является простота ее базовой формулировки: существует волновая функция, эволюционирующая согласно уравнению Шрёдингера. Все остальное – это комментарии. Некоторые из этих комментариев, такие как разграничение на системы и окружающую их среду, декогеренция и ветвление волновой функции, крайне полезны и действительно незаменимы для соотнесения лаконичной красоты основополагающего формализма и нашего нестройного восприятия мира.
Как бы вы ни относились к многомировой интерпретации, в силу своей простоты она служит хорошей отправной точкой для рассмотрения альтернатив. Если вы глубоко скептически относитесь к тому, что в многомировой интерпретации предлагаются хорошие ответы на проблему вероятности, или сама идея существования всех этих миров вам глубоко неприятна, то придется вам каким-то образом модифицировать многомировую интерпретацию. Учитывая, что в многомировой интерпретации речь идет только о «волновой функции и уравнении Шрёдингера», сразу напрашиваются несколько разумных вариантов, как это сделать: можно преобразовать уравнение Шрёдингера так, чтобы множественные миры никогда не возникали; можно добавить новые переменные в дополнение к волновой функции; можно переосмыслить волновую функцию как утверждение о наших знаниях, а не как непосредственное описание реальности. Все эти дороги уже с энтузиазмом исхожены.
Сначала поговорим о возможности изменить уравнение Шрёдингера. По-видимому, такой подход находится в зоне комфорта большинства физиков: не успеет сформироваться новая успешная теория, как теоретики уже обдумывают, как бы они могли поиграть с лежащими в основе этой теории уравнениями и улучшить ее. Сам Шрёдингер изначально надеялся, что его уравнение будет описывать волны, которые естественным образом локализуются в сгустки и, если рассматривать их издалека, ведут себя как частицы. Возможно, при некоторой доработке его уравнения можно было бы достичь этой цели и даже естественным образом решить проблему измерения, не привнося в общую картину множество миров.
Но на самом деле все сложнее, чем кажется. Если мы попробуем сделать самое очевидное – добавить в уравнение новые члены, например Ψ2, то можем разрушить важные свойства теории, например то, что вся совокупность вероятностей в сумме дает единицу. Но физиков редко останавливают препятствия такого рода. Стивен Вайнберг, автор успешной модели, объединяющей электромагнитные и слабые взаимодействия в Стандартной модели физики элементарных частиц, предложил толковую модификацию уравнения Шрёдингера, которая позволяет сохранять общую вероятность с течением времени. Однако все имеет свою цену: простейшая версия теории Вайнберга допускает обмен сигналами между запутанными частицами на сверхсветовой скорости, чем противоречит теореме бессигнальности, принятой в традиционной квантовой механике. Это можно исправить, но тогда происходит нечто еще более странное: в волновой функции появляются не только дополнительные ветви, но и возможность передачи сигналов между ними. Возникает феномен, который физик Джо Полчински окрестил «эвереттовским телефоном». Может, это и неплохо, если вы не прочь основывать каждый свой жизненный выбор на результатах квантовых измерений, а затем сверяться с вашими альтернативными «я», чтобы узнать, какой из них был лучшим. Но представляется, что природа устроена иначе. Причем такой подход не позволяет решить проблему измерения или избавиться от других миров.
В ретроспективе это имеет смысл. Рассмотрим электрон, чей спин направлен точно вверх. Это состояние с тем же успехом можно выразить как равную суперпозицию левого и правого спинов, где при наблюдении вдоль горизонтального магнитного поля существует 50 %-ная вероятность наблюдать любой из двух результатов. Однако именно по причине равенства двух этих вариантов сложно представить, как детерминированное уравнение позволило бы спрогнозировать, какой из двух вариантов мы увидим (по крайней мере, без введения новых переменных, несущих дополнительную информацию). Что-то должно было нарушить баланс между левым и правым спинами.
Следовательно, нам придется мыслить радикальнее. Мы не просто возьмем уравнение Шрёдингера и осторожно его подкрутим, мы соберемся с духом и введем совершенно иной способ эволюции волновой функции, который подавляет ветвление. Множество экспериментальных данных убеждает нас, что волновые функции обычно подчиняются уравнению Шрёдингера, по крайней мере когда их не наблюдают. Но, может быть, в редких, но критически важных случаях они ведут себя иначе.
Чем это может быть вызвано? Мы пытаемся избежать экзистенциального ужаса, возникающего от мысли, что единственная волновая функция описывает множество копий макромира. А если представить, что волновые функции время от времени претерпевают спонтанный коллапс, вдруг превращаясь из распределенных по различным вероятностям (скажем, координат в пространстве) в относительно плотно локализованные вокруг одной точки? Это и есть ключевое новое свойство моделей динамического коллапса, наиболее известная из которых называется «теория ГРВ» – по первым буквам фамилий сформулировавших ее ученых: Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебера.
Представьте себе электрон в пустом пространстве, не связанный ни с одним атомным ядром. Согласно уравнению Шрёдингера, при естественной эволюции такой частицы ее волновая функция распределяется в пространстве и становится все более диффузной. К этой картине теория ГРВ добавляет постулат, согласно которому в любой момент существует некоторая вероятность, что волновая функция радикально и мгновенно изменится. Пик новой волновой функции сам выбирается из вероятностного распределения, того же самого, которое мы использовали бы для прогнозирования координаты электрона, которое мы бы измерили в соответствии с его исходной волновой функцией. Новая волновая функция сильно сконцентрирована вокруг своей центральной точки, так что теперь, с точки зрения макроскопического наблюдателя, частица локализована в одном месте. Коллапсы волновых функций в ГРВ реальны и случайны, а не спровоцированы измерениями.
Теория ГРВ не является какой-нибудь зыбкой «интерпретацией» квантовой механики, это ультрасовременная физическая теория со своей динамикой. Фактически эта теория постулирует в природе две новые константы: ширину новой локализованной волновой функции и вероятность-в-секунду, что произойдет ее динамический коллапс. Реалистичные значения этих параметров составляют, вероятно, 10–5 см для ширины и 10–16 для вероятности коллапса в секунду. Следовательно, типичный электрон эволюционирует в течение 1016 секунд, прежде чем его волновая функция спонтанно сколлапсирует. Это примерно 300 миллионов лет. Поэтому за 14 миллиардов лет (столько времени существует наблюдаемая часть Вселенной) большинство электронов (или других частиц) успели локализоваться всего несколько раз.
Это фича, а не баг данной теории. Если вы собираетесь возиться с уравнением Шрёдингера, то лучше делать это таким образом, чтобы не жертвовать всеми удивительными успехами традиционной квантовой механики. Мы постоянно проводим квантовые эксперименты с отдельными частицами или их наборами. Случилась бы катастрофа, если бы волновые функции этих частиц то и дело спонтанно коллапсировали. Если в эволюции квантовых систем действительно присутствует по-настоящему случайный элемент, то, должно быть, такие коллапсы отдельных частиц происходят невероятно редко.
Тогда как же такая мягкая корректировка теории позволяет избавиться от макроскопических суперпозиций? На помощь нам приходит феномен запутанности, как это было с декогеренцией в многомировой интерпретации.
Допустим, мы измеряем спин электрона. Когда электрон проходит через магнит Штерна – Герлаха, волновая функция эволюционирует в суперпозицию «отклонился вверх» и «отклонился вниз». Мы определяем, каким путем он пошел, например обнаруживая отклоненный электрон на экране, который мы подключили к циферблату со стрелкой, указывающей вверх или вниз. Сторонник Эверетта скажет, что стрелка – это крупный макроскопический объект, который быстро запутывается с окружающей средой, что приводит к декогеренции и ветвлению волновой функции. ГРВ не может апеллировать к такому процессу, но происходит нечто с ним связанное.
Дело не в том, что исходный электрон спонтанно коллапсирует: чтобы такое событие приобрело существенную вероятность, пришлось бы ждать миллионы лет. Но в стрелке нашего устройства содержится около 1024 электронов, протонов и нейтронов. Все эти частицы очевидным образом запутаны: они находятся в разных положениях в зависимости от того, указывает ли стрелка вверх или вниз. Хотя маловероятно, что с какой-то конкретной частицей произойдет спонтанный коллапс, прежде чем мы откроем коробку, весьма высоки шансы, что хотя бы с одной из них это случится – ведь такие события должны совершаться примерно 108 раз в секунду.
Возможно, все это не слишком вас впечатляет и вы думаете, что мы даже не заметим, как такое крошечное подмножество частиц локализуется на такой маленькой стрелке. Но магия запутанности такова, что если волновая функция всего одной частицы будет спонтанно локализована, то оставшиеся частицы, с которыми она запутана, последуют за ней. Если стрелке каким-то образом «удалось» избежать локализации какой-либо из своих частиц в течение определенного периода времени, которого хватило, чтобы она эволюционировала в макроскопическую суперпозицию «вверх» и «вниз», то эта суперпозиция сразу же сколлапсирует, как только одна из частиц все-таки локализуется. Общая волновая функция очень быстро переходит от описания прибора в суперпозиции двух вариантов к одному конкретному варианту. Теория ГРВ умудряется сделать инструментальным и объективным раскол между квантовым и классическим подходами, который были вынуждены обозначить сторонники копенгагенской интерпретации. Классические свойства наблюдаются у объектов, содержащих настолько много частиц, что у этих объектов сильно возрастает вероятность серии стремительных коллапсов, которые претерпит вся волновая функция.