Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

В 1911 году в Брюсселе (Бельгия) прошла первая международная конференция по физике. Темами для обсуждения стали взаимодействие со странной новой квантовой теорией и возможность ее примирения с нашим повседневным опытом.

Над решением этих вопросов физики бьются и сегодня. Нет ни одного эксперимента, чьи результаты когда-либо расходились с предсказаниями квантовой теории, и мы можем быть уверены, что она представляет собой хороший способ описания устройства Вселенной в самых малых масштабах. Таким образом, у нас остается лишь одна проблема: что это значит?

Утверждение о том, что мы понимаем квантовую механику, может дорого стоить, например принятия существования параллельных вселенных. В этой картине вероятностная волновая функция, описывающая квантовые объекты, не «коллапсирует» в классическую определенность каждый раз, когда вы проводите измерения над ними; реальность просто расщепляется на столько параллельных миров, сколько имеется возможностей измерения. Один из них уносит с собой вас и реальность, в который вы живете. По словам Ричарда Фейнмана: «“Парадокс” – это всего лишь конфликт между реальностью и предчувствием того, чем должна быть реальность».

Физики пытаются ответить на эти вопросы с помощью «интерпретаций» – философских рассуждений о том, что лежит за квантовой теорией, полностью соответствующих опытам. Никакая другая теория в науке не имеет так много взглядов на нее (см. рис. 3.1). Почему так получилось? И достигнет ли главенства какой-то из них?

Возьмем, например, копенгагенскую интерпретацию, введенную датским физиком Нильсом Бором. Она гласит, что любая попытка рассуждать о положении электрона, например внутри атома, бессмысленна без проведения его измерения. Только когда мы взаимодействуем с электроном при помощи не-квантового, или классического, устройства, пытаясь наблюдать его, он действительно принимает какие-то черты того, что мы назвали бы физическим свойством, и поэтому становится частью реальности. С ее принципами неопределенности и парадоксами измерений копенгагенская интерпретация сводится к признанию того, что любая наша попытка найти общий язык с квантовой реальностью уменьшает ее до неглубокой классической проекции полного квантового богатства.

Рис. 3.1. «Зоопарк» различных интерпретаций квантовой теории.

Кроме того, есть многомировая интерпретация, где квантовая странность объясняется тем, что все существует одновременно в нескольких мириадах параллельных вселенных. Или вы, наверно, предпочли бы интерпретацию де Бройля – Бома, в которой квантовая теория рассматривается как неполная: нам не хватает некоторых скрытых свойств, придающих всему смысл.

Есть еще очень много интерпретаций, например интерпретация Гирарди – Римини – Вебера, транзакционная (у которой есть частицы, путешествующие назад во времени), интерпретация британского физика Роджера Пенроуза с коллапсом, вызванным гравитацией, и модальная. За прошедшие 100 лет квантовый зоопарк стал переполненным и шумным местом, и пока нет аргументов, окончивших бы споры о сути квантовой механики. Тем не менее, кажется, лишь немногие из этих интерпретаций что-то значат в научных кругах.

Чудесный Копенгаген

Самая популярная из всех – это копенгагенская интерпретация Бора. Ее популярность во многом объясняется тем, что физики в большинстве своем не хотят утруждать себя философией. Вопросы о том, что именно представляет собой измерение или почему оно может вызывать изменения в ткани реальности, могут не приниматься во внимание в пользу простого получения полезного ответа от квантовой теории.

Вот почему беспрекословное следование копенгагенской интерпретации иногда называют интерпретацией «Заткнись и считай!». Тем не менее у этого подхода есть пара недостатков. Он никогда не расскажет нам о фундаментальной природе реальности, ведь для этого требуется искать те места, где квантовая теория терпит неудачу, а не те, где она преуспевает. Работа в добровольном заключении также означает, что появление новых приложений квантовой теории маловероятно. Однако многочисленные точки зрения на квантовую механику могут быть стимулом для новых идей, и самое наглядное доказательство этому – область квантовой информации.

В основе этой области лежит явление запутанности, когда информация о свойствах набора квантовых частиц присваивается всем этим частицам. В результате измерение одной частицы мгновенно повлияет на свойства ее партнеров по запутанности, как бы далеко они друг от друга ни находились.

Идея запутанности кажется настолько странной, что физик Джон Белл разработал мысленный эксперимент для выяснения, может ли она проявляться в реальном мире (см. главу 2). Когда его проведение стало возможным, опыт доказал, что может, и сообщил многое о тонкостях квантовых измерений. Данный результат заложил основы квантовых вычислений, в которых одно измерение может поведать вам о тысячах или даже миллионах вычислений, проведенных параллельно запутанными частицами, а также квантовой криптографии, защищающей информацию при помощи самой природы квантовых измерений (см. главу 4).

По вполне понятным причинам обе эти технологии привлекли внимание правительства и индустрии, стремящихся внедрять в свою деятельность лучшие разработки – и препятствовать их попаданию в чужие руки. Физики, однако, больше заинтересованы в том, что эти явления говорят нам о природе реальности. По-видимому, одним из следствий экспериментов с квантовой информацией является то, что информация, содержащаяся в квантовых частицах, находится в основе реальности.

Последователи копенгагенской интерпретации рассматривают квантовые системы как носители информации, а в измерениях с использованием классической аппаратуры не видят ничего особенного – это всего лишь способ регистрации изменений в информационном содержании системы. Этот новый фокус на информацию как на фундаментальный компонент реальности также породил предложение, что Вселенная – это громадный квантовый компьютер.

Однако, несмотря на все шаги к цели, сделанные благодаря копенгагенской интерпретации, множество физиков относится к ней критично. Отчасти это объясняется тем, что она требует чего-то вроде искусственного разграничения между крошечными квантовыми системами и классической аппаратурой, или наблюдателями, проводящими их измерения. Рассмотрение природы вещей в масштабах Вселенной также обеспечило критиков копенгагенской интерпретации аргументами. Если процесс измерения, проводимого классическим наблюдателем, является основополагающим для построения реальности, которую мы наблюдаем, то что провело наблюдения, ставшие основой для появления содержимого всей Вселенной?

Рис. 3.2. Многомировая интерпретация квантовой механики, предлагающая набор постоянно разветвляющихся вселенных.

Много миров

Сложность, которую порождает этот вопрос, сегодня является причиной более понимающего отношения космологов к интерпретации, созданной в конце 50-х годов XX века в Принстонском университете физиком Хью Эвереттом. Его многомировая интерпретация квантовой механики (см. рис. 3.2) предполагает, что реальность не привязана к понятию измерения. Вместо этого мириады разных возможностей, присущих квантовой системе, проявляются каждая в своей Вселенной. Дэвид Дойч, физик Оксфордского университета и человек, разработавший проект первого квантового компьютера, утверждает, что сейчас мы можем рассуждать о работе такого компьютера только с позиции этого множества вселенных (см. интервью в главе 5). Для него никакая другая интерпретация не имеет смысла.

Но и многомировую интерпретацию не обошла стороной критика. Философ науки Тим Модлин, работающий в Ратгерском университете штата Нью-Джерси, восхищается ее попыткой лишить наблюдение статуса особого процесса. Однако в то же время он не уверен, что многие миры являются хорошей базой для объяснения того, почему некоторые квантовые исходы более вероятны, чем другие.

Когда квантовая теория предсказывает, что один результат измерения в 10 раз вероятнее другого, это всегда подтверждается повторными экспериментами. Согласно Модлину, многие миры свидетельствуют о том, что реализуются все возможные исходы, учитывая множественность миров, но это не объясняет, почему наблюдатели по-прежнему видят самый вероятный исход.

Дойч считает, что совсем недавно эти проблемы были решены, однако его аргументы малопонятны, и заявление физика так никого и не убедило. Еще сложнее прокомментировать то, что сторонники многих миров называют «замечанием недоверчивого взгляда». Очевидным следствием многомировой интерпретации является наличие множества копий вас – и что Элвис по-прежнему поет в Вегасе другой Вселенной. Немногие люди могут принять такую идею, но это может быть лишь вопросом степени привыкания к этой множественности нас и других.

По мнению Дойча, это случится, когда начнут использоваться технологии, основанные на непривычных сторонах квантового мира. Как только у нас появятся квантовые компьютеры, которые решают задачи нахождением во множестве состояний одновременно, эти миры мы сможем воспринимать только как физическую реальность.

Скрытые параметры

Не только многомировая интерпретация претендует на внимание космологов. В 2008 году Энтони Валентини из Имперского колледжа Лондона предположил, что космическое микроволновое фоновое излучение, которое заполнило всю Вселенную сразу после Большого взрыва, может подкрепить интерпретацию де Бройля – Бома. В этом построении квантовые частицы обладают пока еще не обнаруженными свойствами, названными скрытыми параметрами.

Идея, лежащая в основе этой интерпретации, состоит в том, что учет этих скрытых параметров должен объяснить странное поведение квантового мира и оставить отпечаток на подробных картах космического микроволнового фонового излучения. Валентини говорит, что скрытые параметры могут дать более полное соответствие с наблюдаемой структурой фонового излучения, чем стандартная квантовая механика. Однако это всего лишь хорошая гипотеза, поскольку все еще нет убедительных доказательств того, что он попал в точку.

Каждое решение, которое вы принимаете, может породить параллельные вселенные, где люди страдают из-за вашего выбора. Здесь Роуэн Хупер, главный редактор журнала New Scientist, исследует моральный смысл мультивселенной.

«Мультивселенная волнует меня. Если многомировая интерпретация верна – а многие физики думают именно так, – мои действия определяют не только мой жизненный путь, но и жизненные пути моих двойников из других миров. Должен ли я переживать о параллельных Роуэнах, которые, в конце концов, страдают в результате моих действий? Как мне жить, зная, что я один из многочисленных Роуэнов в мультивселенной и что последствия моих решений распространяются дальше того, что я в принципе могу знать?

Вы, возможно, думаете, что мне всего-то стоит перестать обращать на это внимание. Как-никак, многомировая интерпретация гласит, что я никогда не встречусь с другими копиями меня. Так почему надо о них волноваться? Ну, большинство из нас пытаются жить по моральным принципам, поскольку мы считаем, что все наши действия влияют на других людей, даже на тех, которых мы никогда не увидим. Мы переживаем о том, как наши покупательские привычки влияют на рабочих в дальних странах; о том, как еще не родившиеся поколения будут страдать от наших выбросов углекислого газа. Так почему мы не можем немного поволноваться о наших других “я”?»

Макс Тегмарк, профессор физики Массачусетского технологического института, с пониманием относится к дилемме Хупера. Будучи главным сторонником мультивселенной, он хорошо подумал о том, что значит жить в одной из вселенных. «Я чувствую сильное родство с параллельными Максами, даже если никогда не получится с ними встретиться. Они разделяют мои ценности, мои чувства, мои воспоминания – они ближе мне, чем братья», – говорит Тегмарк.

Космическая точка зрения

Принятие космической точки зрения мешает Тегмарку себя жалеть: всегда есть другой Макс, находящийся в худшем положении, чем он. Физик говорит, что теперь, если едва избегает столкновения во время вождения, воспринимает этот опыт более серьезно, чем до того, как узнал о мультивселенной.

«Мы не можем предотвратить ее последствия, – говорит Хупер. – Каждый раз, когда мы принимаем решение, предполагающее вероятность, например взять ли зонт в случае дождя, оно приводит к тому, что Вселенная ветвится. В нашей Вселенной мы берем зонт и остаемся сухими, в другой – не берем и промокаем. Фундаментальное разнообразие вселенных заставляет нас делать подобные выборы».

Это важная идея. Мы живем в эпоху, подобную тем временам, когда Коперник понял, что Земля не находится в центре Вселенной, или когда Дарвин осознал, что люди не создавались отдельно от других животных. Оба этих озарения перестроили наши концепции о месте людей во Вселенной, философию и моральные принципы. Мультивселенная представляется следующим глобальным «смирителем» человечества.

Тяжелые следствия

Понять ее следствия – важная задача для людей, и даже физики находят этот процесс непростым. Например, когда жена Тегмарка была беременна их старшим сыном Филиппом, он обнаружил в себе надежду, что все пройдет хорошо. Тогда он себя укорил.

«Все должно пройти хорошо в одной вселенной и кончиться трагедией в ее параллелях. Так что для меня означало надеяться на то, что все пройдет хорошо? – Он даже не мог надеяться, что доля параллельных вселенных, где роды пройдут хорошо, достаточно велика, потому что доля в принципе может быть вычислена. – Поэтому не имеет смысла говорить: “Я надеюсь на что-то, связанное с этим числом”. Что будет, то будет».

Надежда, оказывается, является следующей жертвой мультивселенной. Вы принимаете решение и попадаете на ветвь мультивселенной с хорошим исходом или на ветвь с плохим. Вы не можете выбрать хороший сценарий. Это тяжело представить: как нам жить без надежды?

Возможно, философ поможет нам шире взглянуть на вещи. Дэвид Папино из Королевского колледжа Лондона предлагает следующее:

«Скажем, вы поставили деньги на лошадь и думаете, что это принесет выигрыш. В результате она проигрывает и вы теряете все свои деньги. Вы думаете: “Ах, если бы я не делал этого”. Но вы принесли выгоду вашим кузенам в других вселенных, где лошадь побеждает. Вы всего лишь вытянули короткую соломинку, которая выпала вашей Вселенной. Вы не сделали что-то неправильное. Нет смысла утверждать, что действие, совершенное вами прежде, было ошибкой».

Конечно, фраза «я не ошибся» не впечатлила бы наших близких, если бы мы поставили на лошадь все наши сбережения и обнаружили себя на «неправильной» ветви. Но и действовать так было бы неразумно – одной из самых привлекательных сторон интерпретации Эверетта, согласно Папино, является ее «незапутанность», пока вы действуете рационально.

С ортодоксальной точки зрения имеется два вопроса, ответы на которые позволяют оценить рискованность действий, объясняет он. Первый – соответствует ли сделанная ставка вашим шансам? Если бы вы нуждались в деньгах и ваша доля была бы соразмерной, возможно, она бы соответствовала. Второй – сработало ли это? Есть множество препятствующих причин, например, лошадь упала или просто проигнорировала ставки и финишировала последней.

Папино оскорбляет, что эти два способа действовать «верно» – мудрый выбор и удачный – не имеют тесных связей. «Идея того, что правильное действие может оказаться неправильным, представляется мне очень безобразной чертой ортодоксального мышления», – говорит он. Она не появляется в многомировой интерпретации, где каждому выбору соответствует свой исход. В ней не остается места для надежды или удачи, но и для угрызений совести тоже. Это изящный, даже хладнокровный способ взглянуть на обстоятельства.

Это изящество всегда привлекало в мультивселенной. В квантовой механике каждый объект во Вселенной описывается математической сущностью – волновой функцией, которая разъясняет то, как свойства субатомных частиц могут принимать несколько значений одновременно. Но проблема в том, что неопределенность исчезает, как только мы измеряем любое из этих свойств. Исходное объяснение этому – так называемая копенгагенская интерпретация – коллапсирование волновой функции в отдельное значение, как только измерение проведено.

Множество исходов

Хью Эверетт назвал это принудительное отделение квантового мира от классического повседневного «чудовищным» и решил выяснить, что могло бы произойти, если бы волновая функция не коллапсировала. Соответствующая математика показала, что Вселенная расщеплялась бы каждый раз при проведении измерения – или, проще говоря, как только принималось бы решение с несколькими возможными исходами.

Для Дона Пейджа, физика-теоретика из Альбертского университета г. Эдмонтона (Канада), это изящество выходит далеко за пределы действий человека. Пейдж является и твердым эвереттовцем, и убежденным христианином. Как и многие современные физики, он согласен с позицией Эверетта, что коллапс волновой функции излишне сложен. Более того, для Пейджа он имеет счастливый побочный эффект – объяснение, почему Бог допускает существование зла.

«У Бога есть ценности, – говорит он. – Он хочет, чтобы мы наслаждались жизнью, но также желает создать изящную Вселенную». Для Бога важность изящества предшествует важности страдания, которое, как заключает Пейдж, является причиной плохих событий. «Бог не схлопнет волновую функцию, чтобы излечить людей от рака, или предотвратить землетрясения, или для чего-то в этом роде, поскольку это сделало бы Вселенную намного более неэлегантной».

Для Пейджа это решение проблемы зла интеллектуально удовлетворительно. Более того, многие миры могут даже позаботиться о свободной воле. Вообще, Пейдж не верит в то, что мы обладаем свободной волей: он чувствует, что мы живем в реальности, в которой Бог определяет все, так что у людей нет возможности действовать независимо. Но в многомировой интерпретации осуществляется каждое возможное действие. «Это не означает, что все устроено так, будто я осуществляю одно конкретное действие. В мультивселенной я совершаю все из возможных», – говорит Пейдж.

Однако пределы есть и у готовности физика доверить свою судьбу мультивселенной. Однажды Пейджу предложили миллион долларов за участие в квантовой русской рулетке – хорошей игре для страстного поклонника мультивселенной, в которой «нельзя проиграть» (см. выше в параграфе «Проверяя мультивселенную»). Пейдж думал о том предложении, но все же отклонил: ему не нравилась мысль о страданиях жены в мирах, где он умрет.

Я испытал некоторое облегчение, узнав, что даже эксперты в области многих миров в конечном счете во многом ведут себя так же, как люди, ничего не знающие о них. Но знания формируют то, как люди принимают решения. Возможно, для нас более естественно думать о том, как наши действия повлияют на других «я», чем о безликих вероятностях риска и выгоды.

Если кто-то и собирается противостоять этой тенденции, то, скорее всего, это Дэвид Дойч – вероятно, самый твердый сторонник интерпретации Эверетта. Несомненно, он может сказать последнее слово о том, что значит жить в мультивселенной, и оно оказалось довольно неожиданным:

«Теория принятия решений в мультивселенной говорит нам, что мы должны ценить вещи, происходящие в большем числе вселенных больше, а в меньшем числе вселенных меньше. И она говорит нам, что мера, по которой нужно оценивать их выше или ниже, за исключением экзотических обстоятельств, точно такая же, как если бы мы оценивали риски согласно вероятностям в классической Вселенной».

Так что правильный поступок остается правильным поступком.

Конечно, подход Дойча может быть неверным – с возможностью, которую он принимает, – хотя он твердо уверен, что мультивселенная существует. Но если он прав, его заключение только подкрепляет то, что говорят коллеги ученого: лучший способ жить в мультивселенной предполагает тщательное обдумывание того, как вы проживаете свою Вселенную.