является квантовой. Как настаивал Эверетт, классическая физика – это просто приближение, удобное в некоторых обстоятельствах.
Именно здесь мы подходим к моменту, когда начинает оправдываться вся та большая работа, которую мы проделали в предыдущих главах. Многомировая интерпретация отлично подходит для ситуации, когда нужно отбросить всю нашу классическую интуицию и действовать по-квантовому с самого первого шага, определяя, как наблюдаемый нами классический мир (представляющий собой приближение) проявляется из волновой функции Вселенной, пространства-времени и всего на свете.
В подходах, альтернативных многомировой интерпретации, часто требуются дополнительные переменные (как, например, в бомовской механике) или правила, описывающие спонтанный коллапс волновой функции (как в ГРВ). Обычно они выводятся из нашего опыта с учетом классического предела рассматриваемой теории, и именно этот опыт пока подводит нас в случае с квантовой гравитацией. Напротив, многомировая интерпретация не полагается ни на какую дополнительную надстройку. В конечном итоге это не теория о каких-то видах «материи», она описывает только квантовые состояния, эволюционирующие в соответствии с уравнением Шрёдингера. В обычных обстоятельствах для нас в таком случае появляется новый объем работы, поскольку приходится объяснять, почему мы вообще видим мир, состоящий из частиц и полей. Но в данном уникальном контексте квантовой гравитации это оказывается преимуществом, поскольку так или иначе от этой работы никуда не деться. Многомировая интерпретация, трактующая мир прежде всего с квантовой точки зрения, – самый подходящий вариант, когда становится очевидно, что никакая классическая теория не может служить подходящей отправной точкой для построения квантовой теории гравитации.
Прежде чем как следует углубиться в теорию квантовой гравитации, давайте выполним кое-какую подготовительную работу.
Общая теория относительности – это теория динамики пространства-времени, поэтому в данной главе мы зададимся вопросом о том, почему концепция «пространства» вообще так важна. Ответ кроется в концепции локальности – тела взаимодействуют, когда расположены в пространстве поблизости друг от друга. В следующей главе мы рассмотрим, как квантовые поля распространяются в пространстве и воплощают данный принцип локальности, а также помогают нам кое-что выяснить о природе пустого пространства.
Далее идет глава, в которой мы исследуем, как извлечь само пространство из квантовой волновой функции. Наконец, в последней главе мы увидим, что в условиях сильной гравитации приходится отказаться от локальности как таковой, поскольку она перестает быть центральным принципом. По-видимому, тайна квантовой гравитации теснейшим образом связана со всеми достоинствами и недостатками идеи локальности.
Следует аккуратно использовать термин «локальность», поскольку он используется в двух разных смыслах: можно говорить о локальности измерения и динамической локальности. Мысленный эксперимент ЭПР показывает, что квантовому измерению присуща некоторая нелокальность. Алиса измеряет спин своего электрона, и это сразу же повлияет на результат Боба, который попробует измерить спин своего электрона, даже если сам Боб об этом не знает. Теорема Белла предполагает, что любая теория, измерения в которой заканчиваются конкретными результатами, – в принципе, это касается всех подходов к квантовой механике, кроме многомировой интерпретации, – будет характеризоваться такого рода нелокальностью измерений. Ответ на вопрос, является ли многомировая интерпретация нелокальной в таком смысле, зависит от того, каким образом мы решим определять ветки нашей волновой функции. Есть как локальные, так и нелокальные варианты: в первых ветвление происходит только «поблизости», во втором случае – сразу во всем пространстве.
Динамическая локальность, в свою очередь, касается гладкой эволюции квантового состояния, когда не происходит ни ветвления, ни измерений. Именно в таком контексте физики ожидают, что все должно быть совершенно локальным, то есть локальные возмущения должны влиять на тела, расположенные только в непосредственной близости. Подобная локальность обусловлена одним из правил специальной теории относительности, согласно которому ничто не может перемещаться быстрее скорости света. Причем именно с такой динамической локальностью мы имеем дело, когда изучаем природу пространства и принципы его возникновения.
Имея это в виду, закатаем рукава и подробнее разберемся в том, какова структура наблюдаемой нами реальности. Мы живем в мире, который выглядит как совокупность расположенных в пространстве объектов, проявляющих свойства, аппроксимируемые классической физикой, за исключением эпизодических квантовых скачков, и этот мир проявляется из квантовой волновой функции. Эвереттовская квантовая механика претендует на то, что таких миров очень много, но в постулатах этой теории (волновые функции, их гладкая эволюция) никакие «миры» даже не упоминаются. Откуда же берутся миры и почему эти миры приблизительно воспроизводят классическую физику?
Обсуждая декогеренцию, мы указали, что квантовую систему можно считать разделившейся на множество отдельных копий, как только она запутается с обширной окружающей средой, поскольку ничто из происходящего в одной из этих копий не будет отражаться на других копиях. Но если мы хотим быть педантичными, то на самом деле эта формулировка позволяет нам думать, что после декогеренции волновая функция описывает отдельные миры, но мы не обязаны так думать, и, более того, в этом нет никакой необходимости. Можно ли замахнуться на что-то большее?
Истина в том, что мы вовсе не обязаны считать, будто волновая функция описывает множество миров даже после декогеренции. Мы вполне можем говорить обо всей волновой функции как об одном целом. Просто ее удобно разделять на миры.
Многомировая интерпретация описывает Вселенную с помощью всего одного математического объекта – волновой функции. Существует множество способов рассуждать о волновой функции, позволяющих физически концептуализировать, что с ней происходит. Так, в некоторых случаях может быть удобно говорить о ней в терминах координат, а в других – в терминах импульса. Аналогично зачастую полезно говорить о волновой функции после декогеренции так, как будто она описывает множество различных миров. Это оправдано, поскольку происходящее в каждой ветке не влияет на события, происходящие в других. Но в конечном итоге все это также делается для нашего удобства, а не потому, что к этому нас вынуждает теория. В фундаментальном отношении данная теория имеет дело только с волновой функцией в целом.
В качестве аналогии подумайте о всей той материи, которая находится в вашей комнате. Можно описать ее, взяв в качестве подспорья классическое приближение, составив список значений координат и импульсов для каждого атома в комнате. Но это было бы безумием. Вы не располагаете такой информацией и не смогли бы ею воспользоваться, даже если бы располагали, кроме того, она вам, в сущности, и не требуется. Вместо этого вы дробите окружающую вас материю на тела, которыми удобно оперировать: стулья, столы, светильники, пол и т. д. Это описание несравнимо компактнее, чем было бы описание каждого атома, и тем не менее дает нам хорошее представление о том, что происходит в комнате.
Точно так же нет необходимости характеризовать квантовое состояние в контексте множества миров, но так несравнимо проще управиться с рассматриваемой нами невероятно сложной ситуацией. Как подчеркивала Алиса в главе 8, миры не фундаментальны, а эмерджентны.
В данном случае эмерджентность не является характеристикой, указывающей на развитие событий во времени, в том смысле, как можно считать эмерджентным вылупление птенца из яйца. Эмерджентный подход – это способ описания мира, не претендующий на полноту, но позволяющий разделить реальность на удобные фрагменты. Нигде в фундаментальных законах физики вы не найдете таких понятий, как «комнаты» и «полы», – они эмерджентны. Это способы описания, позволяющие понять, что происходит, даже если мы не обладаем полной информацией о каждой молекуле и каждом атоме, которые нас окружают. Говоря, что явление эмерджентно, мы имеем в виду, что оно относится к приблизительному описанию реальности, которое справедливо на определенном (обычно макроскопическом) уровне и должно сравниваться с «фундаментальными» феноменами, которые являются элементами точного описания мира на микроскопическом уровне.
«Демон Лапласа» предполагает, что существует невообразимо мощный разум, который знает все законы физики и точное состояние мира, а также обладает неограниченными вычислительными способностями. Этот демон с абсолютной точностью знает все, что было, есть и будет. Но никто из нас не является демоном Лапласа. В лучшем случае мы обладаем частичными знаниями о состоянии мира, а наши вычислительные возможности весьма ограниченны. Никто из нас не способен взглянуть на чашку кофе и рассмотреть в ней каждую частицу и каждый атом, мы наблюдаем лишь некоторые грубые макроскопические характеристики жидкости и чашки. Но этих данных может быть вполне достаточно для результативных рассуждений о кофе и прогнозирования свойств чашки кофе в самых разных обстоятельствах. Чашка кофе – это эмерджентный феномен.
То же касается миров в эвереттовской квантовой механике. Рассуждая о квантовом демоне Лапласа, то есть о существе, которое в точности представляет квантовое состояние Вселенной, можно с уверенностью сказать, что такому существу никогда не потребуется делить волновую функцию на набор веток, описывающих совокупность миров. Но поступать так исключительно удобно и полезно, поскольку при такой постановке вопроса мы исходим из того, что разные миры не взаимодействуют друг с другом.
Это не означает, что миры не «реальны». Противопоставление «фундаментальный» и «эмерджентный» – одно, а «реальный» и «нереальный» – совсем другое. Столы, стулья и чашки кофе, вне всякого сомнения, реальны, поскольку в них воплощены подлинные закономерности Вселенной, такие, в соответствии с которыми организован мир и отражается его базовая реальность. То же самое касается эвереттовских миров. Мы прибегаем к ним, вырезая их из волновой функции для нашего же удобства, но такое «вырезание» не является произвольным. Разделить волновую функцию на миры можно правильно и неправильно, и правильные варианты деления дают нам независимые миры, подчиняющиеся аппроксимациям в виде законов классической физики. В конечном счете работоспособные варианты определяются законами природы, а не человеческой прихотью.