Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

Эйнштейн возражал против самой идеи мгновенного схлопывания волновой функции, называя его «жутким дальнодействием»{348}. Схлопывание волновой функции должно происходить быстрее скорости света, по сути, с бесконечной скоростью.

Большинство распространенных интерпретаций квантовой механики обычно называют детерминистическими в том смысле, что статистические вероятности, которые даются волновой функцией или вектором состояния, предопределены в теории подобно тому, как движение частицы предопределено в ньютоновской механике. Однако в данном случае статистически определено коллективное поведение ансамбля идентичных систем, а не поведение отдельной системы. Я предпочитаю называть квантовую механику недетерминистической.

 Рис. 15.3. Иллюстрация коллапса волновой функции электрона. После прохождения через большое отверстие в экране волновая функция распределена по области пространства размером примерно с отверстие. После измерения она схлопывается до размера детектора. Следует отметить, что в данном примере электрон имел равную априорную вероятность обнаружения на А и на Б. Авторская иллюстрация 

Теперь давайте рассмотрим некоторые альтернативные точки зрения. В 1950-е Дэвид Бом предложил интерпретацию квантовой механики, основанную на значительно более ранней идее Луи де Бройля, в которой движение частиц предопределено. Это движение управляется скрытыми субквантовыми силами, которые де Бройль назвал «волнами-пилотами»{349}. Хотя модель, основанная на этой интерпретации, в принципе детерминистична, она не предсказывает движение отдельных частиц. Она дает все те же статистические предсказания, что и все остальные интерпретации{350}.

В своей докторской диссертации 1957 года, защищенной в Принстонском университете, Хью Эверетт III представил блестящую новую математическую формулировку квантовой механики. В ней он исключил искусственное разграничение между сферами действия квантовой и классической физики, которое существовало в копенгагенской интерпретации, а также отделался от коллапса волновой функции{351}. И то и другое было значительным улучшением. Формулы Эверетта включали детектор вместе с наблюдаемым объектом в полную квантовую систему и заключали в себе все возможные результаты эксперимента.

В то время как математика Эверетта была безукоризненна, другие авторы попытались придать модели философскую интерпретацию, в которой при каждом акте измерения Вселенная (на самом деле) разделяется на две отдельные несвязанные вселенные{352}. Она получила известность как многомировая интерпретация квантовой механики.

Рассмотрим ситуацию, показанную на рис. 153. Электрон может быть с равной вероятностью обнаружен на А или на Б. Вместо коллапса волновой функции математические формулы Эверетта считают обе возможности реализованными. В онтологической многомировой интерпретации эти два события происходят в отдельных вселенных, или мирах. В одном мире электрон сталкивается с А. В другом мире он сталкивается с Б. Если вероятность столкновения с А равна 3/4, а с Б — 1/4, то мы имеем четыре мира, в трех из которых электрон сталкивается с А, а в одном — с Б. Таким образом объясняется статистическая природа квантовой механики.

Действительно, при каждом измерении можно представить себе, как Вселенная расщепляется на много вселенных, по одной на каждый возможный результат эксперимента. Тем не менее мы снова получаем онтологическую установку, которая предсказывает те же эмпирические и статистические результаты, что и все остальные интерпретации квантовой механики.

Еще будучи студентом магистратуры Принстонского университета в 1940-х, Ричард Фейнман предложил математическую формулировку квантовой механики, названную суммированием по путям. Она заметно отличалась от моделей, которые в то время считались стандартными. (Разве это не чудесно, что в физике студенты магистратуры могут решить задачи, с которыми не справляются их более опытные и куда более высокооплачиваемые преподаватели?) В модели Фейнмана волновая функция и вектор состояния вообще отсутствуют, хотя они и могут быть выведены из нее.

В традиционной классической процедуре путь частицы вычисляется с помощью какого-нибудь уравнения движения, или, что то же самое, принципа (например, принципа наименьшего действия). В квантовой картине мира, предложенной Фейнманом, предполагается, что частица проходит все возможные пути между источником и детектором. В этом случае вероятность определенного акта наблюдения составляется из всех возможных путей, которые могли привести к наблюдению. Хотя суммирование по путям оказалось очень практичным и приобрело популярность среди специалистов в области элементарных частиц, оно опять же давало те же эмпирические результаты.

Фейнман никогда не пытался дать своей модели онтологическую интерпретацию. В книге «Вневременная реальность» я показал, как это понятие можно овеществить при помощи обращения времени{353}. Хотя Эверетт не ссылается на Фейнмана и их математические аппараты различаются, идеи Эверетта и Фейнмана тождественны, а именно: включить в формулу все, что может произойти. Но обратите внимание: если существуют эмпирически непротиворечивые модели, в которых происходит все, что может произойти, это еще не значит, что все действительно происходит в объективной реальности.

Существуют и другие интерпретации квантовой механики, в том числе варианты идеи Фейнмана, которые не настолько экстравагантны, как многомировая. Проблема разных интерпретаций в том, что некоторые из них, в частности многомировая, находятся на грани метафизики. Все они согласуются с данными (иначе от них быстро отказываются), но ни одна не дает уникальных прогнозов. Поэтому мы никак не можем использовать главный принцип научного метода, эмпирическую проверку интерпретаций, чтобы выбрать лучшую из них. Поскольку методология вычислений, которую мы называем квантовой теорией, по-прежнему согласуется со всеми наблюдениями, многие мои коллеги-экспериментаторы устали от всей этой дискуссии и спрашивают: «Так что в этом нового?»

Авторы недавних публикаций отметили возможное применение многомировой интерпретации в космологии. Вспомните раздел о Бивселенной ранее в этой главе. Я писал, что так называемая волновая функция Вселенной дает вероятность обнаружения Вселенной с определенными свойствами. Если применить многомировую интерпретацию квантовой механики, то волновая функция Вселенной представляет собой множество параллельных вселенных. Выдающийся специалист в теории струн Леонард Сасскинд и другие предположили, что этот ансамбль вселенных можно связать с множественными вселенными космологической Мультивселенной, которую Сасскинд называет мегавселенной{354}.

Вневременная реальность

Одна из загадок уравнения Уилера — Девитта, которое дает нам волновую функцию Вселенной, — это отсутствие в нем переменной времени. Как было упомянуто ранее в разделе о бивселенной, в простейшей форме уравнение Уилера — Девитта математически сводится к квантовомеханическому независимому от времени уравнению Шрёдингера для нерелятивистской частицы с массой, равной половине планковской массы, и нулевой полной энергией, которое имеет единственное измерение, представляющее собой космологический масштабный коэффициент. Процесс его решения аналогичен одному из самых известных приложений квантовой механики — вычислению стационарных состояний атома водорода через уравнение Шрёдингера. Так можно получить энергетические уровни стабильного атома. Схожим образом волновая функция Вселенной описывает стационарное состояние Вселенной с нулевой полной энергией.

Так где же к этой картине добавляется время? Как может существовать такая модель Вселенной, в которой нет даже этого простейшего человеческого понятия — течения времени?

В 1983 году физики Дон Пейдж и Уильям Вутерс написали, что замкнутая система, в частности Вселенная, должна быть в стационарном состоянии, и поэтому время не является обязательным элементом в описании мира. Они показали, что «наблюдаемая динамическая эволюция системы может быть полностью описана в терминах стационарных объектов наблюдения»{355}.

Во второй публикации 1984 года Вутерс объяснил это более подробно:

«Любое утверждение, в котором мы упоминаем зависимость системы от времени, можно без потери эмпирического смысла переформулировать в виде: “Если часы находятся в состоянии… тогда вероятность обнаружения системы в состоянии… составляет…”»{356}.