Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

В 1957 году Хью Эверетт применил аналогичные рассуждения к Вселенной в целом; он предположил, что это могло бы объяснить, как происходит коллапс волновой функции. Позже Брюс ДеВитт назвал гипотезу Эверетта многомировой интерпретацией квантовой механики. На примере кота, можно сказать, что сама Вселенная представляет собой комбинацию всех ее возможных квантовых состояний. Однако на этот раз не существует способа открыть ящик, поскольку вне Вселенной ничего нет и ничто не может заставить квантовое состояние Вселенной схлопнуться. Любой внутренний наблюдатель — это часть одного из составляющих ее состояний и потому видит лишь соответствующую часть волновой функции Вселенной. Живой кот видит нераспавшийся атом, тогда как параллельный мертвый кот… Хмм, дайте мне еще немного подумать.

Короче говоря, каждый параллельный наблюдатель видит себя живущим лишь в одном из громадного множества параллельных миров, существующих одновременно, но в разных состояниях. Эверетт съездил в Копенгаген к Нильсу Бору, чтобы рассказать ему об этой идее, но Бора возмутило предположение о том, что волновая функция Вселенной не схлопывается и не может схлопнуться. Бор и его единомышленники решили, что Эверетт ничего не понимает в квантовой механике, и сказали ему об этом в весьма некомплиментарном тоне. Эверетт говорил, что его визит был «обречен с самого начала».

Сама по себе эта идея очень занятна, хотя ее можно сформулировать и математически строго. Ей отнюдь не помогает то, что о многомировой интерпретации часто рассказывают в терминах исторических событий в напрасной попытке сделать эту гипотезу более понятной. В той компоненте Вселенной, которую наблюдаем мы с вами, Гитлер проиграл Вторую мировую войну. Но существует другая параллельная Вселенная, в которой он (ну, на самом деле совершенно другой Гитлер, хотя никто об этом не говорит) выиграл войну (ну, вообще-то другую войну…), и те варианты вас и меня живут в той компоненте и видят вокруг именно ее. Или, может быть, мы погибли во время войны, или вообще не родились… Кто знает?

Многие физики настаивают, что Вселенная на самом деле такая и что они могут это доказать. После этого они рассказывают вам об экспериментах с электронами. Или, относительно недавно, с молекулами. Но целью Шрёдингера было подчеркнуть, что кот — это не электрон. Кот как квантово-механическая система состоит из поистине гигантского числа квантовых частиц. Эксперименты на одной частице, или на десятке частиц, или даже на миллиарде ничего не расскажут нам про кота. Или про Вселенную.

Кот Шрёдингера приобрел немалую популярность среди физиков и философов и породил огромное число литературных произведений, в которых ставятся всевозможные дополнительные вопросы. Почему не поместить в ящик, помимо всего прочего, камеру и не снять происходящее, а позже не просмотреть запись? Но нет, ничего не получится: пока ящик не открыт, камера будет в суперпозиции состояний «снят мертвый кот» и «снят живой кот». Может ли кот наблюдать собственное состояние? Да, если он жив, и нет, если мертв, но внешнему наблюдателю все равно придется ждать открытия ящика. Дайте животному мобильный телефон — нет, это уже глупо, к тому же здесь тоже будет суперпозиция. В любом случае ящик-то непроницаемый. Он обязательно должен быть непроницаемым, в противном случае вы сможете узнать о состоянии кота, не заглядывая внутрь.

На самом деле непроницаемых ящиков не существует. Имеет ли смысл мысленный эксперимент, в котором фигурируют невозможные вещи? Предположим, мы заменим этот радиоактивный атом атомной бомбой, которая либо взорвется, либо нет. Согласно уже знакомым рассуждениям, пока мы не откроем ящик, мы не узнаем, сделала она это или нет. Военные все отдали бы за ящичек, способный сохранить прежний вид, когда у него внутри взрывается ядерный боеприпас.

Некоторые идут еще дальше, утверждая, что в наблюдатели годится только человек (или по крайней мере разумное существо) — да, с этим у кошачьих не очень. Некоторые предполагают, что Вселенная потому и породила нас, что мы можем играть роль наблюдателей, заставляя волновые функции схлопываться и порождая таким образом Вселенную. Мы здесь, потому что мы здесь.

Эта замечательная причинно-следственная цепочка поднимает важность рода человеческого на недосягаемую высоту, но игнорирует ту особенность, из-за которой Бор не принял теорию Эверетта: в многомировой интерпретации волновая функция Вселенной не коллапсирует . Она откровенно противоречит принципу Коперника и отдает гордыней. Кроме того, она упускает из виду один момент: загадка Шрёдингерова кота относится к наблюдениям, а не к наблюдателям. И дело там не в том, то происходит в момент наблюдения. Дело в том, что такое наблюдение в принципе.

Математический аппарат квантовой механики включает два аспекта. Один из них — уравнение Шрёдингера, которое используется для моделирования квантовых состояний и имеет хорошо известные и вполне определенные математические характеристики. Второй аспект — то, как мы представляем наблюдение. Теоретически, это математическая функция. Вы вводите в эту функцию некую квантовую систему и получаете на выходе ее состояние — результат наблюдения. Так вы вводите число 2 в функцию логарифма и получаете log 2. Это все очень понятно и замечательно, но на самом-то деле состояние системы взаимодействует с состоянием измерительного прибора, который представляет собой куда более сложную квантовую систему. Это взаимодействие слишком сложно, чтобы его можно было исследовать математически сколько-нибудь подробно, поэтому считается, что оно сводится к одной-единственной аккуратной функции. Нет, однако, никаких причин полагать, что в реальности дело обстоит именно так, и множество причин подозревать, что все на самом деле совсем не так.

Мы имеем дело с несоответствием между точным, но своенравным квантовым представлением измерительного процесса и ситуативным дополнением — гипотетической функцией. Неудивительно, что в результате возникают странные и конфликтующие между собой интерпретации. Аналогичные вопросы вылезают всюду в квантовой теории и в основном остаются незамеченными. Все внимание обращено на уравнения и методы их решения; никто не думает о «граничных условиях», которые представляют задействованную аппаратуру или наблюдения.

Хорошая иллюстрация — ящик, в котором можно незаметно взорвать ядерную бомбу. Еще один пример — полупрозрачное зеркало, отражающее часть света, а остальное пропускающее насквозь. Квантовые экспериментаторы любят это устройство потому, что оно действует как светоделитель: берет поток фотонов и направляет их случайным образом по двум разным направлениям. Сделав с одним из лучей все, что нужно, экспериментатор вновь соединяет оба луча, чтобы сравнить результат. В квантово-механических уравнениях полупрозрачное зеркало — идеальный объект, не оказывающий никакого действия на фотоны, а только направляющий их в разные стороны с 50 %-ной вероятностью. Это как барьер на пути бильярдного шара, который то появляется, и тогда шар идеально упруго отражается от него, то исчезает, и тогда шар свободно пролетает насквозь.