У теории ГРВ есть очевидные достоинства и недостатки. Основное достоинство заключается в том, что это хорошо сформулированная конкретная теория, напрямую решающая проблему измерения. Множество миров, присутствующих в эвереттовской интерпретации, устраняется благодаря серии поистине непредсказуемых коллапсов. Мы оказываемся в мире, где сохраняется успешность квантовой теории в микромире, но в макроскопическом мире проявляются классические свойства. Это совершенно реалистичная трактовка, в которой для объяснения экспериментальных результатов не привлекается никаких зыбких допущений, связанных с сознанием. ГРВ можно считать суммой эвереттовской квантовой механики и случайного процесса, отсекающего новые ветки волновой функции по мере их появления.
Более того, ГРВ можно экспериментально проверить. Два параметра, определяющих ширину локализованных волновых функций и вероятность коллапса, не выбирались произвольно: если бы их значения были иными, то они либо не справились бы с задачей (коллапсы были бы слишком редкими или недостаточно локализованными), либо эти параметры уже были бы исключены экспериментально. Представьте, что у нас есть жидкость, образованная атомами в невероятно низкотемпературном состоянии, так что каждый атом движется очень медленно, если вообще движется.
Спонтанный коллапс волновой функции электрона в такой жидкости сообщил бы атому, в котором был этот электрон, небольшой энергетический толчок, который физики могли бы обнаружить как небольшое повышение температуры жидкости. Подобные эксперименты ведутся, их конечная цель – либо подтвердить ГРВ, либо полностью ее опровергнуть.
Такие эксперименты легче описать, чем поставить, так как количество энергии, о котором мы говорим, действительно очень мало. Тем не менее ГРВ – отличный пример на случай, если ваши знакомые станут жаловаться, что многомировая интерпретация или разные подходы к квантовой механике не поддаются экспериментальной проверке. Теории проверяются в сравнении с другими теориями, а эти две заметно отличаются в своих эмпирических прогнозах.
Среди недостатков ГРВ – тот факт, что новое правило спонтанного коллапса, мягко говоря, взято с потолка и не соответствует всему, что мы знаем о физике. Кажется подозрительным, что природа не только стала бы нарушать свои обычные законы движения через случайные промежутки времени, но и сделала бы это таким образом, чтобы мы не могли этого экспериментально обнаружить.
Другой недостаток, затрудняющий широкое распространение ГРВ и связанных с ней теорий в физическом сообществе, заключается в следующем: неясно, как выстроить версию такой теории, которая работала бы не только с частицами, но и с полями. В современной физике фундаментальными кирпичиками природы считаются поля, а не частицы. Мы видим частицы, когда с достаточным увеличением рассматриваем вибрирующие поля, просто потому, что эти поля подчиняются законам квантовой механики. В некоторых условиях можно считать полевое описание полезным, но не обязательным и представить, что поля просто позволяют отслеживать множество частиц сразу. Однако бывают и другие условия (например, условия в ранней Вселенной или внутри протонов и нейтронов), где наличие поля необходимо. А ГРВ, по крайней мере в простой версии, представленной здесь, описывает принципы коллапса волновой функции, которые соотносятся именно с вероятностью на частицу. Это препятствие вовсе не является непреодолимым – физики-теоретики привыкли брать простые модели, работающие кое-как, а затем обобщать их до тех пор, пока они не заработают как следует. Но этот признак выдает, что подобные подходы с трудом вписываются в наши современные представления об устройстве законов природы.
ГРВ позволяет провести границу между квантовым и классическим миром, постулируя, что спонтанные коллапсы отдельных частиц происходят очень редко, а коллапсы совокупностей частиц – очень стремительно. Альтернативный подход предполагал бы, что коллапс должен происходить всякий раз, когда система достигает определенного порога, – подобно тому как рвется резиновая лента, если растянуть ее слишком сильно. Хорошо известный пример подобных разработок был предложен математиком и физиком Роджером Пенроузом, наиболее известным своими работами по общей теории относительности. В теории Пенроуза важнейшую роль играет гравитация. Он предполагает, что волновые функции спонтанно коллапсируют, когда начинают описывать макроскопические суперпозиции, у различных составляющих которых ощутимо отличаются гравитационные поля. Критерий «ощутимо отличаются» здесь оказывается сложным для формализации: отдельные электроны не коллапсируют, как бы ни были распределены их волновые функции, а вот стрелка уже достаточно велика, чтобы спровоцировать коллапс, как только она начнет эволюционировать в различные состояния.
Большинство экспертов по квантовой механике прохладно отнеслись к теории Пенроуза, поскольку скептически относятся к тому, что гравитация должна иметь какое-либо отношение к фундаментальной формулировке квантовой механики. Они убеждены, что можно говорить – и по большей части это прекрасно удается на протяжении всей истории изучения вопроса – о квантовой механике и коллапсе волновых функций, совершенно не принимая в расчет гравитацию.
Вполне вероятно, что будет разработана точная версия критерия Пенроуза, в которой он станет рассматриваться как замаскированная декогеренция: гравитационное поле объекта можно считать частью окружающей его среды, и если два разных компонента волновой функции обладают разными гравитационными полями, то они фактически декогерируют. Сила гравитации исключительно слаба, и практически в любых ситуациях обычные электромагнитные взаимодействия вызовут декогеренцию гораздо раньше, чем в дело вступит гравитация. Но гравитация хороша своей универсальностью (у любого тела есть гравитационное поле, но не у любого – электрический заряд), поэтому хотя бы этот фактор гарантирует, что волновая функция любого макроскопического объекта обязательно претерпит коллапс. С другой стороны, ветвление в момент декогеренции уже включено в многомировую интерпретацию, и все, о чем говорит подобная теория спонтанного коллапса, сводится к «все, как у Эверетта, только новые миры не образуются, мы их стираем вручную». Кто знает? Возможно, именно так устроена природа, но большинство практикующих физиков не склонны следовать по этому пути.
С самого зарождения квантовой механики напрашивалась очевидная идея, которую стоило бы рассмотреть: что, если волновая функция не отражает всей картины и кроме нее в процессе участвуют и другие переменные? В конце концов, физики очень привыкли мыслить в терминах вероятностных распределений из опыта работы со статистической механикой, как она разрабатывалась в XIX веке. Мы не указываем точные координаты и скорость каждого атома в емкости с газом, а учитываем лишь их общие статистические свойства. Но в классическом представлении, которое мы принимаем как должное, у каждой частицы есть определенные координата и скорость, даже если мы их не знаем. Может быть, такова и квантовая механика: есть определенные величины, связанные с предполагаемыми результатами наблюдений, но мы не знаем, каковы они, а волновая функция каким-то образом захватывает только часть статистической реальности, но не отражает всей ситуации.
Мы знаем, что волновая функция не может быть в точности такой, как классическое вероятностное распределение. В настоящем вероятностном распределении вероятности присваиваются напрямую результатам, а вероятность каждого конкретного события должна выражаться вещественным числом от нуля до единицы (включительно). Волновая функция, в свою очередь, присваивает амплитуду любому возможному результату, а амплитуды являются комплексными числами. У них есть как действительная, так и мнимая часть, каждая из которых может быть положительной или отрицательной. Возводя такие амплитуды в квадрат, мы получаем вероятностное распределение, но если мы хотим объяснить, что именно наблюдаем в эксперименте, то не можем работать с этим распределением напрямую, не опираясь на волновую функцию. Тот факт, что амплитуда может быть отрицательной, допускает интерференцию, которая наблюдается, например, в эксперименте с двумя щелями.
Есть простой способ подступиться к этой проблеме: будем считать волновую функцию реальным, действительно существующим физическим явлением (а не просто удобным обобщением наших неполных знаний), но также вообразим, что есть и дополнительные переменные, возможно, представляющие координаты частиц. Эти дополнительные величины условно называются «скрытыми переменными», хотя некоторым сторонникам теории такое название не нравится, поскольку мы действительно наблюдаем эти переменные, когда выполняем измерение. Можно называть их просто «частицами», поскольку именно частицы обычно рассматриваются в таких опытах. В таком случае волновая функция играет роль волны-пилота, направляющей частицы, пока они движутся. Частицы можно сравнить с крошечными плывущими бочонками, а волновую функцию – с волной, которая их перекатывает. Волновая функция подчиняется обычному уравнению Шрёдингера, а новое «уравнение волны-пилота» определяет, как она влияет на частицы. Эти частицы направляются туда, где волновая функция велика, убывая оттуда, где она практически равна нулю.
Впервые данную теорию представил Луи де Бройль в 1927 году на Сольвеевском конгрессе. В тот период и Эйнштейн, и Шрёдингер размышляли в том же направлении. Однако идеи де Бройля встретили на Сольвеевском конгрессе жесткую критику, в частности, со стороны Вольфганга Паули. Судя по записям с конференции, критика Паули была безосновательной и де Бройль грамотно на нее ответил. Но он был настолько обескуражен таким приемом, что забросил эту идею.
В знаменитой книге «Математические основания квантовой механики», изданной в 1932 году, Джон фон Нейман доказал теорему о сложности построения теорий со скрытыми переменными. Фон Нейман был одним из самых блестящих математиков и физиков XX века, его имя пользовалось колоссальным авторитетом среди исследователей квантовой механики. Когда кто-либо пытался предложить более конкретную формулировку квантовой механики, чем зыбкая копенгагенская интерпретация, в ответ ему обычно апеллировали к имени фон Неймана и ссылались на его доказательство. Таким образом душилась любая зарождающаяся дискуссия.