Книга: Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

* * *

Квантовая мультивселенная появилась раньше других, и виноват в этом Эрвин Шрёдингер. Кот, помните? Ну, знаете, тот, что одновременно и жив и мертв — до тех пор, пока вы не посмотрите, как он там. В отличие от остальных мультивселенных, разные миры квантовой мультивселенной сосуществуют друг с другом и даже занимают одно и то же пространство и время. Писатели-фантасты обожают этот сюжет.

Независимое сосуществование возможно потому, что квантовые состояния могут перекрываться, то есть складываться друг с другом. В классической физике что-то похожее делают, к примеру, волны на воде: если пути двух групп волн пересекаются, их пики складываются, образуя еще более высокие пики, а при попадании пика на впадину они взаимно ликвидируются. Однако в квантовом царстве этот эффект заходит гораздо дальше. К примеру, частица может вращаться по часовой стрелке или против (здесь я упрощаю, но идею вы поняли). Когда эти состояния накладываются, они не нейтрализуются. Вместо этого вы получаете частицу, которая вращается в обе стороны одновременно.

Если в момент, когда система находится в одном из таких объединенных состояний, вы проводите измерение, происходит нечто замечательное. Вы получаете определенный ответ. У пионеров квантовой теории это вызывало горячие споры; споры эти разрешились на конференции в Дании, где большинство ученых согласились считать, что акт наблюдения системы каким-то образом заставляет ее состояние «коллапсировать» (схлопываться) в одну или другую из составляющих его компонент. Это толкование называется копенгагенской интерпретацией.

Шрёдингера эта интерпретация до конца не убедила, и он придумал мысленный эксперимент, чтобы объяснить почему. Посадите кота в непроницаемый ящик и туда же поместите какой-нибудь радиоактивный атом, ампулу ядовитого газа и молоток. Устройте так, чтобы в случае, если атом распадется, испустив при этом частицу, молоток разобьет ампулу и газ убьет кота. Закройте ящик и подождите.

Через некоторое время задайте вопрос: кот в ящике жив или мертв?

В классической (то есть неквантовой) физике он находится в одном из этих двух состояний, но вы никак не можете определить, в каком именно, пока не откроете ящик. В квантовой физике состояние радиоактивного атома есть суперпозиция состояний «распался» и «не распался», и оно остается таковым, пока вы это состояние не пронаблюдаете, открыв ящик. Тогда состояние атома мгновенно коллапсирует в одно из двух возможных состояний. Шрёдингер указывал, что в этой ситуации те же рассуждения применимы и к коту, которого можно рассматривать как громадную систему взаимодействующих квантовых частиц. Благодаря устройству в ящике кот остается в живых, если атом не распадается, и умирает, если распадается. Поэтому кот должен быть жив и мертв в одно и то же время… до того момента, когда вы откроете ящик, вызвав тем самым коллапс волновой функции кота, и выясните, чем дело кончилось.

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.