Препринт статьи Эверетта 1957 года был разослан ряду физиков по всему миру до публикации основной статьи. По настоянию Уилера изложение было настолько урезано, что многие, кто читал его, не были уверены, действительно ли Эверетт считает, что все вселенные в его математическом подходе реальны. Эверетт узнал об этой неясности и решил разъяснить ситуацию. В «примечаниях при корректуре», которые он, по-видимому, написал прямо перед публикацией и, скорее всего, не уведомляя об этом Уилера, Эверетт чётко выразил свою позицию относительно природы разных квантово-механических результатов: «С точки зрения теории, все… являются “настоящими”, ни одна из них не более “реальна”, чем все остальные».{75}
Когда возникает альтернативная вселенная?
Помимо слов «расщеплять» и «клонировать», которые мы довольно вольготно использовали при изложении историй второго типа, мы также употребляли взаимозаменяемым образом такие серьёзные термины, как «мир» и «вселенная». Есть ли какие-то чёткие указания, когда уместно использовать эти термины, а когда нет? Когда мы рассматриваем волну вероятности одного электрона с двумя (или более) пиками, мы не говорим о двух (или более) мирах. Мы подразумеваем один мир — наш — в котором содержится электрон с неоднозначным положением. Однако, применяя подход Эверетта, когда мы измеряем или наблюдаем этот электрон, мы говорим на языке множественных миров. В чём тогда различие между измеренной и неизмеренной частицей, что приводит к столь разительно отличающимся описаниям?
На ум быстро приходит такой ответ: для одного изолированного электрона нет надобности излагать историю второго типа, потому что без измерений или наблюдений нет никакой связи с человеческим опытом, который требует своего описания. Всё, что нужно, — это история первого типа о волне вероятности, распространяющейся согласно уравнению Шрёдингера. Без истории второго типа нет никакой возможности привлечь многократные реальности. Хотя такое объяснение разумно, имеет смысл покопаться поглубже и проанализировать специальные свойства квантовых волн, проявляющиеся в задачах со многими частицами.
Проще всего ухватить основную идею на примере эксперимента с двумя щелями (рис. 8.2 и рис. 8.4). Напомним, что волна вероятности падает на пластину, затем два волновых фрагмента, прошедшие сквозь щели, распространяются дальше и достигают экрана. Вдохновившись обсуждением многомирового подхода, мы можем поддаться соблазну представить две бегущие волны как две раздельные реальности. В одной из них электрон проскакивает сквозь левую щель, а в другой — через правую щель. Но вы быстро сообразите, что наложение этих двух предположительно «разных реальностей» существенно влияет на результат эксперимента; именно перекрывание двух волн приводит к интерференционной картине. Поэтому рассматривать две волновые траектории как существующие в двух разных вселенных не имеет никакого особого смысла и не даёт никакой дополнительной пищи для ума.
Однако если изменить условия эксперимента, расположив позади каждой из щелей детектор, который будет записывать, прошёл электрон сквозь неё или нет, то ситуация изменится коренным образом. Поскольку теперь привлечено макроскопическое оборудование, две различные траектории электрона порождают изменения в огромном количестве частиц — это огромное количество частиц участвует в появлении надписи «электрон прошёл сквозь левую щель» или «электрон прошёл сквозь правую щель». По этой причине соответствующие волны вероятности для каждой возможности становятся настолько несопоставимыми, что у них не оказывается практически никакой возможности как-то влиять друг на друга. Как показано на рис. 8.16а, различия в миллиардах миллиардов составляющих детектор частиц приводят к тому, что волны, соответствующие двум возможным результатам, расходятся друг с другом, практически не перекрываясь. А без перекрытия эти волны не могут участвовать ни в одном из характерных интерференционных явлений квантовой физики. Действительно, когда установлены детекторы, электроны перестают давать полосатый узор как на рис. 8.2в; наоборот, получается обычное объединение результатов, показанных на рис. 8.2а и рис. 8.2б. Физики в таком случае говорят, что волны вероятности декогерируют (более подробно вы можете прочитать об этом, например, в главе 7 книги «Ткань космоса»).
Суть тогда в том, что как только возникает декогерентность, две волны для каждого результата начинают распространяться независимо — они не смешиваются, — поэтому каждая из них может быть названа своим собственным миром или вселенной. В рассматриваемом случае в одной такой вселенной электрон проходит сквозь левую щель, и детектор это подтверждает; в другой вселенной электрон проходит сквозь правую щель, и детектор это подтверждает.
В этом и только в этом смысле есть некоторое перекликание с концепцией Бора. Согласно многомировому подходу, крупные тела, составленные из многих частиц, действительно отличаются от малых тел, составленных из одной или горстки частиц. Крупные тела не стоят особняком от математического аппарата квантовой механики, как думал Бор, но их волны вероятности могут обладать достаточными вариациями, вследствие чего их способность к интерференции становится ничтожной. И как только две и более волны перестают влиять друг на друга, они становятся невидимы друг для друга; каждая «думает», что другие исчезли. Итак, в то время как Бор просто декларировал, что акт измерения отметает все результаты, кроме одного, в многомировом подходе, дополненном декогерентностью, гарантируется, что в каждой вселенной всё оказывается так, как будто все остальные результаты исчезли. То есть в каждой вселенной всё выглядит так, как если бы волна вероятности схлопнулась, оставив лишь один пик. Однако по сравнению с копенгагенским подходом это «как если бы» приводит к совершенно другой картине устройства реальности. В многомировом подходе реализуются все возможные результаты, не только какой-то один.
Может показаться, что на этом можно было бы и заканчивать главу. Мы видели, как сама математическая структура квантовой механики берёт нас под белы рученьки и подводит к новой концепции параллельных вселенных. Однако это ещё не конец истории. На последующих страницах я объясню, почему многомировое описание квантовой физики остаётся спорным; мы увидим, что неприятие данного подхода основано не просто на нежелании вникнуть в принципиально новую точку зрения на окружающую реальность. Но если вы, читатель, уже насытились и вам не терпится перейти к следующей главе, приведём короткое резюме.
В повседневной жизни мы сталкиваемся с вероятностью, когда видим, что в результате есть несколько возможных вариантов, но по той или иной причине не можем понять, какой из них на самом деле произойдёт. Иногда у нас имеется достаточно информации, чтобы понять, какой из результатов скорее всего произойдёт, и тогда вероятность является тем инструментом, который позволяет дать этому количественную оценку. Наша уверенность в вероятностном подходе возрастает, когда мы обнаруживаем, что результаты, которые считают вероятными, происходят часто, а маловероятные происходят редко. Проблема, стоящая перед многомировым подходом, состоит в том, что необходимо придать смысл вероятности — квантово-механическим вероятностным предсказаниям — в совершенно другом контексте, когда считается, что могут произойти все возможные результаты. Эту дилемму легко сформулировать: как можно говорить о том, что какие-то результаты вероятны, а другие маловероятны, если они все имеют место?
В последующих разделах я остановлюсь на этом более подробно и рассмотрю различные попытки решения. Хочу предупредить: мы сейчас обсуждаем вопросы, которые находятся на самом переднем крае науки, поэтому мнения о том, где мы сейчас находимся, сильно расходятся.
Вероятная проблема
Критика многомирового подхода часто сводится к тому, что этот подход слишком причудлив, чтобы быть правильным. История физики учит нас, что успешные теории просты и элегантны; они объясняют экспериментальные данные на основе минимального количества допущений и приводят к точному пониманию. Теория, в которой вселенные сыплются как из рога изобилия, далека от этого идеала.
Сторонники многомирового подхода справедливо говорят, что при оценке сложности научной теории не следует сосредотачиваться на её следствиях. Значение имеют лишь её фундаментальные свойства. В многомировом подходе считается, что всего одно уравнение — уравнение Шрёдингера — управляет распространением всех волн вероятности, так что по простоте формулировки и экономности допущений с этим подходом трудно соревноваться. Копенгагенский подход никак не проще. Он тоже основан на уравнении Шрёдингера, но при этом содержит туманное, плохо определённое предписание, когда уравнение Шрёдингера не следует применять, и ещё менее понятное описание, касающееся процесса схлопывания волны вероятности, который, как предполагается, имеет место быть. То, что многомировой подход приводит к исключительно богатой картине реальности, говорит о неблагонадёжности теории не более, чем разнообразие жизни на Земле говорит против дарвиновского естественного отбора. Механизмы, фундаментально простые по своей сути, могут привести к сложным заключениям.
Тем не менее, хотя отсюда следует, что бритва Оккама недостаточно остра, чтобы отсечь многомировой подход, переизбыток вселенных действительно приводит к потенциальному затруднению. Ранее я говорил, что физики, применяя какую-нибудь теорию, должны излагать её в двух ипостасях — описывать эволюцию мира с математической стороны, а затем интерпретировать полученные математические результаты с позиции нашего опыта. Но на самом деле есть ещё и третья сторона, связанная с первыми двумя, и физики должны её рассмотреть. Для квантовой механики эта третья сторона выглядит следующим образом: наша уверенность в квантовой механике идёт от её феноменального успеха в объяснении экспериментальных данных. Если физик-теоретик, используя квантовую механику, вычисляет, что при повторении некоторого эксперимента один результат будет возникать, скажем, в 9,62 раза чаще, чем другой, то именно это физик-экспериментатор будет устойчиво наблюдать в своих экспериментах. Перевер