Макс Тегмарк - Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности

Еще в школе мой друг Магнус Бодин заразил меня духом противоречия. Если остальные отсылали письма в прямоугольных конвертах, он делал треугольные. Теперь, когда я вижу, что большинство делает нечто одним способом, я инстинктивно ищу альтернативы. Например, в первый год однокурсники тратили массу времени на домашние задания по электромагнетизму, так что я договорился с профессором, чтобы пропустить всю эту работу в обмен на устный экзамен в конце курса. Вместо этого я бессчетные часы проводил в библиотеке, подкармливая свое любопытство изучением самой разнообразной физики, о которой не говорилось в учебниках и которая продолжает помогать мне по сей день. Кроме того, я получил время для исследований не по программе.

Впервые у меня появились друзья, разделявшие мою одержимость безумными физическими вопросами, и было восхитительно беседовать с ними ночи напролет о природе реальности. Джастин Бендих, напоминавший мне Шэгги из «Скуби-Ду», являл собой кладезь информации и давал глубокие ответы даже на самые странные вопросы. Билл Пуарье был без ума от теории информации, и мы вместе на ее основе замечательно усовершенствовали принцип неопределенности Гейзенберга. Это очень нас воодушевляло, пока я не нашел в библиотеке статью о том же самом. Я чувствовал себя счастливейшим человеком на планете: я знал, чем я больше всего хотел заниматься, и занимался именно этим.

Мои новые преподаватели тоже были весьма вдохновляющими. Я гораздо глубже понял квантовую механику благодаря Юджину Комминсу, чей суховатый юмор оживлял уравнения на доске. Однажды я поднял руку и спросил: «Правда ли, что это как складывать яблоки с персиками?» (Это шведская идиома.) «Нет, – ответил он. – Это как складывать яблоки с апельсинами».

Хотя его годичный курс научил меня многим полезным техническим приемам, он не давал ответов на жгучие квантовые вопросы. В рамках курса они даже не поднимались, так что мне оставалось сражаться с ними самому. Является ли квантовая механика внутренне противоречивой? Действительно ли волновая функция коллапсирует? Если да, то когда? А если нет, то почему мы не видим вещи в двух местах сразу? Откуда появляются случайности и вероятности в квантовой механике?

Я слышал, что в 1957 году принстонский аспирант Хью Эверетт III предложил поистине радикальный ответ, подразумевающий существование параллельных вселенных, и мне было любопытно узнать подробности. Однако эту идею в основном игнорировали. Хотя мне встретились несколько человек, слышавших о ней, никто из них не читал затерявшуюся среди распроданных изданий диссертацию Эверетта. Все, что нашлось в нашей библиотеке, – предельно сжатая версия, в которой вопросы, связанные с параллельными вселенными, не поднимались. В ноябре 1990 года я наконец достал неуловимую книгу. Весьма характерно, что нашел я ее в Беркли, в магазине, специализировавшемся на радикалистской литературе (там можно было купить, например, «Поваренную книгу анархиста»).

Диссертация Эверетта захватила меня. Словно пелена спала с глаз. Внезапно все это приобрело для меня смысл. Эверетта волновали точно те же вещи, что и меня, но вместо того, чтобы смириться, он открыл нечто поразительное. Когда у вас появляется радикальная идея, так легко сказать себе: «Это, конечно, не сработает» и отбросить ее. Но если вы задержитесь на этой мысли хоть немного и, спросив себя: «А почему именно это не сработает?» – обнаружите, что найти логически неопровержимый ответ трудно, то, возможно, вы нашли нечто важное.

Так в чем же идея Эверетта? Это на удивление простое утверждение:

Волновая функция не коллапсирует. Никогда.

Иными словами, волновая функция, которая полностью описывает нашу Вселенную, всегда изменяется детерминистически, всегда подчиняется уравнению Шредингера, независимо от того, выполняются наблюдения или нет. Так что уравнение Шредингера – это верховный закон без всяких «если», «и» или «но». Это означает, что теорию Эверетта можно рассматривать как «облегченную версию квантовой механики»: возьмите версию из учебника и просто выбросьте постулат о коллапсе волновой функции и вероятностях.

Меня это удивило, поскольку, по слухам, Эверетт постулировал безумно звучащие вещи вроде параллельных вселенных и того, что наша Вселенная должна расщепляться на параллельные вселенные всякий раз, когда вы выполняете наблюдение. На самом деле даже сегодня многие из моих коллег-физиков продолжают считать, что Эверетт исходил из таких предположений. Чтение книги Эверетта стало для меня уроком не только по физике, но и по социологии: я понял, как важно оглядываться на прошлое и самостоятельно проверять первоисточники, не полагаясь на информацию из вторых рук. Далеко не только политиков неверно цитируют, интерпретируют и презентуют, и диссертация Эверетта – отличный пример того, о чем в первом приближении каждый физик имеет мнение, но чего при этом почти никто не читал [41].

Я буквально не мог оторваться от книги Эверетта. Его логика была прекрасна: он не выдвигал предположений ни о каких безумных вещах, но все они возникали в качестве следствий из его предположений! Сначала это казалось настолько простым, что не должно было работать. В конце концов, Нильс Бор и его коллеги были умными людьми, и они изобрели коллапс волновой функции, чтобы объяснить, почему в экспериментах мы видим тот или иной исход. Но Эверетт понял: даже если у экспериментов нет определенных исходов, они могут выглядеть так, будто такие исходы у них есть!

Рис. 8.1.Мысленный эксперимент с “квантовыми картами”. Ровно в 10 часов утра вы устанавливаете карту на ребро, ставите 100 долларов на то, что она упадет лицом вверх, и закрываете глаза. Спустя 10 секунд карта упала одновременно налево и направо в квантовой суперпозиции, так что волновая функция описывает карту, находящуюся в двух местах сразу. Еще через 10 секунд вы открываете глаза и смотрите на карту, так что волновая функция описывает вас одновременно как довольного и как разочарованного. Хотя существует лишь одна волновая функция и одна квантовая реальность (в которой частицы, составляющие вас и карту, находятся в двух местах одновременно), Эверетт понял, что на практике это эквивалентно тому, что наша Вселенная расщепилась на две параллельные вселенные (внизу) с определенным исходом в каждой.

Взгляните на рис. 8.1: вот как я это воспринимаю. В мысленном эксперименте «квантовые карты» вы берете карту с идеально ровным нижним краем, устанавливаете ее на столе вертикально и ставите 100 долларов на то, что она, падая, ляжет лицом вверх. Закрываете глаза и ждете. Согласно классической физике карта, в принципе, останется в равновесии навсегда [42]. Согласно уравнению Шредингера, она упадет в течение нескольких секунд, даже если вы приложите все силы, чтобы идеально ее сбалансировать, поскольку принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что она не может находиться лишь в одном положении (строго вертикальном) без всякого движения. Но если исходное состояние было симметричным относительно направления вправо-влево, то таким должно быть и окончательное состояние. Это подразумевает, что карта упадет в обе стороны сразу, в суперпозиции.