Эвереттика, или проблема многомирия
Глава из книги Игоря Гарина «Квантовая физика и квантовое сознание», Lambert Academic Publishing, Saarbrucken, 2013, 334 p.
Существует около десяти разных интерпретаций квантовой механики, в том числе такие наиболее известные как матричная Гейзенберга, на основе волновой функции Шредингера, Фейнмана, Вигнера, Де Бройля-Бома, Крамера *. (* Подробнее см. в книге А. Садбери «Квантовая механика и физика элементарных частиц». М., 1989 и в статье D. F. Styer, Am. J. Phys., 70 (3), 2002). Еще ряд теорий, которые претендуют на более высокий уровень фундаментальности, чем обычная квантовая теория — это квантовая механика Давида Бома, теория совместных квантовых историй и многомировая интерпретация квантовой механики Х. Эверетта. Здесь мы рассмотрим только последнюю.
Наиболее радикальным вариантом углубления теории является многомировая интерпретация квантовой механики, предложенная Хьюго Эвереттом и поддержанная Джоном Уилером и Брайсом Де Виттом *. (* Название «многомировая интерпретация» квантовой механики предложено Брайсом де Виттом — B. S. De Witt, “Quantum mechanics and reality”, Phys. Today, 23, 30–35, 1970) Иногда она также называется интерпретацией Эверетта-Уилера.
Правильно описывая возникающие при квантовом измерении альтернативные результаты и распределение вероятностей по этим альтернативам, квантовая теория декогеренции ничего не говорит о природе выбора одной из альтернатив. Большинство физиков закрывает глаза на эту проблему, полностью игнорируя ее существование, тем более, что она не препятствует решению практических задач. Тем не менее такой подход не устраивал Вигнера, Эверетта и всех тех, кто не довольствовался таким решением «проблемы измерения». В результате появились новые трактовки квантовой теории — попытки вывести ее за рамки теории декогеренции и сформулировать в терминах замкнутых, а не открытых систем.
В 1954–57 гг. Хьюго Эверетт III (1930–1982) предложил новую многомировую интерпретацию квантовой механики, при которой любая компонента суперпозиции состояний описывает целый мир, и ни одна из них не имеет преимущества перед другой *. (* H. Everett. Relative state formulation of quantum mechanics. Rev. Mod. Phys. 29, 3, 454 (1957). Подробнее см. книгу «Неоднозначное мироздание», Кострома, 2000). После завершения докторской диссертации, не получив должного отклика от физического сообщества и встретив полное неприятие своих идей Нильсом Бором, Х. Эверетт оставил фундаментальную физику и занялся бизнесом, не подозревая о большом резонансе, который его работы получат в ХХI веке, в частности в работах Дэвида Дойча.
Свою трактовку Эверетт назвал «соотнесенным состоянием» (иногда переводится как «относительность состояния», а в настоящее время «соотнесенные состояния» стали переводиться как многомирие). Хью Эверетт считал, что концепция «соотнесенного состояния» применима ко всем формам квантовой механики и может стать плодотворной структурой для квантизации в общей теории относительности.
Приведу трактовку Эвереттом понятия «соотнесенное состояние»: «…Исследуются представления состояния сложной системы в терминах состояний составляющих подсистем. Математика принуждает осознать понятие соотнесенных состояний в следующем смысле: нельзя считать, что составляющая подсистема, независимо от остальной части сложной системы, может находиться в каком-либо единственном четко определенном состоянии. Любому произвольно выбранному состоянию одной подсистемы будет соответствовать единственное соотнесенное состояние остальной части сложной системы. Это соотнесенное состояние обычно будет зависеть от выбора состояния для первой подсистемы. Таким образом, состояние одной подсистемы не имеет независимого существования, но определяется только состоянием остающейся подсистемы. Другими словами, состояния, занятые подсистемами, не независимые, но коррелированные. Такие корреляции между системами возникают всякий раз, когда системы взаимодействуют. В существующей формулировке все процессы измерения и наблюдения должны расцениваться просто как взаимодействия между вовлеченными в эти процессы физическими системами — взаимодействия, которые порождают сильные корреляции».
Работа Эверетта «Формулировка квантовой механики через соотнесенные состояния» преследовала цель разрешить противоречие между двумя разными квантовомеханическими формулировками — волновой и матричной. Эверетт попытался разрешить это противоречие, а его работа привела к появлению в физике концепции Мультиверсума или Многомирия.
Фактически это означает, что вектор состояния (как полезная теоретическая конструкция) в эвереттовской интерпретации квантовой механики приобретает реальную физическую основу. Реально существуют все решения волновых уравнений и все варианты человеческого выбора. Коллапсу волновой функции при ее измерении Х.Эверетт противопоставил возможность реализации всех возможных квантовых событий. Фактически решение Эверетта позволяет избежать мгновенного коллапса волновых функций во всем пространстве, но при этом вводящее множество одинаково ненаблюдаемых параллельных миров.
Эвереттовская трактовка квантовой теории, таким образом, означает, что никакой редукции при измерении не происходит, а различные компоненты суперпозиции соответствуют различным классическим мирам. Любой наблюдатель тоже оказывается в состоянии суперпозиции, то есть его сознание «расщепляется» в соответствии с возможной суперпозицией. Иными словами, имеет место «квантовое расщепление» наблюдателя. Его сознание также находится в состоянии суперпозиции, но нормальному состоянию мозга отвечает единственная компонента этой суперпозиции и, следовательно, одна определенная картина, соответствующая единственному результату измерения.
Как формулирует Брайан Грин, профессор Колумбийского университета, «в подходе Эверетта каждое квантово-механически вероятное событие, то есть такое, вероятность которого отлична от нуля, находит свою реализацию в своем отдельном мире. Это и есть множество миров в многомировом подходе к квантовой механике».
Но в эвереттовских мирах каждый наблюдатель «расщепляется» на множество наблюдателей-двойников, и каждый видит ту картину, которая имеется в том мире, в котором он оказался. Это самый трудный для понимания, но и самый важный пункт в эвереттовской интерпретации квантовой механики.
Если раньше задавали вопрос, с какой вероятностью произойдет то или иное событие, то в интерпретации Эверетта вопрос необходимо формулировать иначе: с какой вероятностью наблюдатель попадает в тот или иной мир? Вопрос «что происходит в мире?» при данной трактовке заменяется на вопрос: «что происходит на конкретной линии мировой истории?». При этом каждая мировая линия существует наравне со всеми другими.
Если раньше мы связывали с состояниями ту или иную вероятность их реализации, то при новой трактовке реализуется «многолистная» Вселенная — все возможные состояния, но это происходит на разных уровнях реальности, причем количество миров, в которых произошло то или иное событие, пропорционально вероятности этого события. Иными словами вместо вопроса о вероятности события ставится вопрос о том, с какой вероятностью наблюдатель попадает в тот или иной мир. Все возможные состояния квантовых объектов признаются реальными, но каждое из них реализуется в бесчисленных эвереттовских вселенных.
Кроме того, эвереттика отказывается от принципа дополнительности Нильса Бора и меняет представление о внешнем наблюдателе *. (* По словам Е. Б. Шиховцева, «Эверетт поступил с внешним наблюдателем так же, как Эйнштейн с выделенной системой координат»).
По Эверетту, «ветвление» реальностей осуществляют «наблюдатели с памятью», причем структура памяти Наблюдателя определяет его «ветвящую способность»: «Прибор и квантовомеханический наблюдатель обзаводятся двойниками, принадлежащими разным «листам» или «ветвям». Каждый лист соответствует одному из членов общей волновой функции, которая содержит когерентные значения спинов , каждый лист внутренне согласован, и наблюдатель, находящийся на одном листе, не в состоянии обнаружить существование других листов. Такая интерпретация «многих миров» позволяет успешно избежать мгновенного коллапса волновых функций на всем пространстве, но при этом вводит множество одинаково ненаблюдаемых параллельных миров». В рамках квантовой концепции «ветвящейся вселенной» рассматривается множество квантовых мегамиров, каждый из которых реализует определенную ветвь космогенеза и его различные временные фазы.
Разделение альтернатив в рамках расширенной версии теории Эверетта является феноменом, общим для квантовой физики и психологии. Наличие большого количества альтернативных реальностей обеспечивает развитие жизни, познания, вероятностного прогнозирования, а также многих мистических явлений. Способность человека воспринять «иную реальность», в том числе реальность квантового мира, по М. Б. Менскому, лежит «на границе сознания и бессознательного», то есть именно там, где возникают мистические феномены, а также неврозы и иные феномены, изучаемые психологами, психоаналитиками, и психиатрами.
В более наглядной формулировке, предложенной Джоном Уилером, в момент квантового измерения перед наблюдателем как бы оказывается железнодорожная стрелка, и его поезд может пойти в одном из нескольких направлений. В зависимости от того, в каком направлении пойдет поезд, наблюдатель увидит тот или иной результат измерения. Возможные направления поезда соответствуют альтернативным результатам измерения или различным эвереттовским мирам. Поезд всегда пойдет лишь по одному из направлений, но все остальные столь же реально существуют, и в других направлениях то же измерение дает другие, но так же реализуемые, результаты.
При традиционной интерпретации квантовой механики нельзя ответить на вопрос о причинах селекции возможных альтернатив, а в интерпретации Эверетта реализуются все возможные исходы, только в разных мирах, на разных путях и с разными вероятностями.
Говоря о многомировой интерпретации квантовой механики на примере «кошки Шредингера», можно утверждать, что суперпозиция из двух состояний кошки существует, но декогерирует. Когда наблюдатель открывает ящик, он «запутывается» с кошкой и от этого образуются два состояния наблюдателя, соответствующие живой и мертвой кошке, причем эти два состояния не взаимодействуют друг с другом. Иными словами, когда ящик открывается, Вселенная расщепляется на две разные вселенные, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с мертвой кошкой, а в другой — другой наблюдатель смотрит на живую кошку.
Иными словами, многомировая интерпретация квантовой механики предлагает именно такое разрешение шрёдингерова парадокса: кот остается живым в одних мирах и мертвым — в других. О благополучной судьбе шрёдингерова кота в эвереттовских мирах пишет Джон Гриббин, досконально изучивший проблему: «Нам больше нечего беспокоиться о загадке кота. Мы знаем, что в нашем мире ящик содержит кота живого или мертвого, а в соседнем мире есть другой наблюдатель с таким же ящиком, где кот мертв или жив». Сам момент наблюдения кота оказывается развилкой, где миры начинают раздваиваться, следуя парадоксальному распаду-нераспаду атомного ядра. У наблюдателей живого и мертвого кота тоже оказываются разные миры и разные судьбы.
Согласно квантовой теории, при наличии множества планов реальности развитые системы «присутствуют» одновременно на разных планах, причем сама развитость системы отвечает ее «полиреальности» (полионтичности). Иными словами, наилучший вариант для любой системы — быть представленной на всех уровнях реальности. «Только в этом случае она будет обладать потенциальной возможностью освоить все уровни, все слои Бытия и использовать свое тело в физическом мире для создания новых нелокальных связей и расширения своего присутствия во всех мирах. Для этого ей необходимо овладеть управлением потоками энергий и уметь целенаправленно осуществлять процессы де- и рекогеренции» *. (* Автор цитирует М. Заречного).
Кстати, «эвереттовская» картина мира предвосхищена в индуистской мистике притчей о «Шествии муравьев», в которой каждому муравью можно поставить в соответствие бога Индру, ожерелье которого, как я уже говорил ранее, также воплощает доктрину многомирия: в каждой бусине этого ожерелья отражаются все остальные (Брахма-вайварта-пурана)…
С Индрой индийская мистика связывает множество «квантовых» действ: стадию Индры в ходе своих перерождений проходят живые существа (в их числе — Будда). Можно говорить о «классе Индр» — звеньях в цепи кармических перерождений живых существ. Говорится и о большом числе Вселенных Индры, но сами они являются элементами «Метавселенных» Вишну. Просто какое-то головокружительное многомирие, предвосхищающее Эверетта…
Возможно, идею «многолистного» мира сам Эверетт действительно почерпнул из мистики, подчеркивающей, что для Бога различные альтернативы существуют одномоментно. Такая многовариантость, совмещенная с существованием вечности, предосхищена мистическим текстом П. Дамиани «О божественном всемогуществе». Читаем: «Но и различное видит Он не различным всякий раз зрением, не так, что когда смотрит на прошедшее, не видит настоящее или будущее; или обратно, когда будущее созерцает, от прошедшего отворачивается; но одним лишь и простым взглядом непреходящего величия всё разом постигает. И это не смутно или не отчетливо, но всё разделяет и всё различает согласно свойству всякой вещи… Потому и среди пророческим духом реченного в Писании часто случается встретить, что прошедшее стоит вместо будущего».
Многомирие — это единение правого полушария с левым, синтез физики и мистики, науки и мифа. Ведь в мифах нет ни начала, ни конца, каждый эпизод имеет много исходов, а судьбы героев «ветвятся» как у Джойса и Эверетта. Не случайно К. Леви-Стросс писал, что миф — машина для уничтожения времени. Но ведь и в квантовом мире время исчезает. «Именно поэтому мифы, содержащие в себе наиболее общие и устойчивые законы (паттерны) жизни человека, оказываются вечными, по-разному преломляясь на разных этапах человеческой истории и вдыхая в нее жизнь».
По словам Михаила Эпштейна, реальность — это вовсе не сумма всех параллельных миров, а суперпозиция, которая делает их всех возможными, обусловливает их множественность. Наряду с «антропным», можно сформулировать «смысловой» принцип космологии: мультиверсум создан таким, чтобы придать ему как можно больше смысла. Чем многообразнее миры, тем насыщеннее смысл событий в каждом из них, определяемый разностью между ними. Омниум — это конструкция по извлечению наибольших смыслов из совокупности вселенных в каждой из них. В тот момент, когда иной физический вариант события умирает в нашем мире, уходя в параллельный, зарождается смысл этого события в нашем мире. Квантовая альтернатива, исчезая из нашего мира, испускает квант смысла, и из таких квантов строится смысловая реальность нашего мира взамен уходящих из него физических реальностей других миров. Смысл — это и есть «чувство соприкосновения» мирам иным, понимание «этого» в его отличии от «иного».
Кратко характеризуя результаты эвереттовского подхода, можно сказать, что не существует фиксированного состояния одной подсистемы сложной системы. Подсистемы не обладают состояниями, которые являются независимыми от состояний остальной части системы, так что состояния подсистем в общем случае коррелируют друг с другом. Можно произвольно выбрать состояние для одной подсистемы, что приведет к соотнесенному состоянию для остальной части. Таким образом, соотнесенные состояния фундаментальны и бессмысленно спрашивать об абсолютном состоянии подсистемы — можно спросить о данном состоянии относительно остальной части системы.
Эвереттовская интерпретация квантовой механики дает оригинальный ответ на сомнение Эйнштейна относительно божественной игры в кости. Исходя из этой гипотезы, ответ Эйнштейну может быть следующим: «Да, Бог не играет в кости, он равно приемлет все ходы и возможности».
Философская значимость эвереттики связана с тем, что она ставит вопрос о «бытийной истинности» «иных миров» и о замене их взаимоисключительности дополнительностью: с философской точки зрения речь идет о совместимости различных мировоззренческих точек зрения. Многомирие в эвереттике — фундаментальная характеристика бытия, отражающая возможность его проявления в виде многообразных типов реальностей. В широком контексте Многомирие часто выражают термином «параллельные или иные миры».
Некоторые физики считают, что концепция Эверетта в нынешнем ее виде ограничена: она классична в том смысле, что подменяет нелокальность квантового мира на совокупность классических миров. Плюс такого подхода состоит в том, что облегчается восприятие некоторых идей квантовой механики.
Эвереттовская интерпретация квантовой механики не является общепринятой и не отвечает на такие важные вопросы:
— взаимодействуют или нет разные эвереттовские Вселенные?
— что такое граница между разными эвереттовскими мирами?
— можно ли экспериментально проверить справедливость интерпретации Эверетта?
Теорию Эверетта считают самой радикальной гипотезой в науке, с которой трудно согласиться, но еще более трудно ее опровергнуть. Последнее не удалось таким «зубрам» науки как Нильс Бор, Илья Пригожин, Иосиф Шкловский, Виталий Гинзбург, а Джон Уилер в одной из своих работ поставил Эверетта в один ряд с Ньютоном и Эйнштейном. Профессор Макс Джэммер назвал идеи Эверетта «одним из самых крепких секретов нашего века». Отмечу, что Брайс де Витт в 1972 году, еще не зная о работах Эверетта, также предложил аналогичную трактовку квантовой механики, изложенную в книге «Многомирная интерпретации квантовой механики» (1973).
Многочисленные современные трактовки Многомирия как физического объекта связаны с именами Д. Дойча, Дж. Уиллера, Б. де Витта, М. Гелл-Манна, Р. Пенроуза, С. Хокинга, С. Вайнберга, М. Тегмарка, М. Риса, А. Сахарова, М. Маркова. Сторонниками этой теории являются также Б. Грин, М. Каку, Л. Сасскинд, Н. Тайсон, Ш. Кэрролл, Д. Полчински, Д. Гросс, П. Стейнхардт, М. Тёрнер, Д. Эллис, А. Франк, П. Дэйвис, М. Менский.
Последний в 2000 году подробно изложил основные положения теории Эверетта в русскоязычной физической литературе и предложил свою версию Мультиверсума. Космолог Макс Тегмарк высказал предположение, названное гипотезой математической вселенной, что любому математически непротиворечивому набору физических законов соответствует независимая, но реально существующая вселенная. К идеям мультивселенной независимо друг от друга пришли создатели инфляционной модели Вселенной А.Гут, А.Линде и А.Виленкин, авторы теории струн (т.н. ландшафт теории струн) и создатели концепции темной энергии. Особый интерес к эвереттике вызван тем, что на основе этих идей ныне создается идеология квантовых компьютеров.
Два важнейших феномена эвереттики — ветвление и склейки. Ветвление — порождение альтернативных миров в динамических процессах квантовой механики. Склейки — явления взаимодействия миров на разных уровнях. В результате события, происходящие в одной ветви, влияют на события в другой, тем самым может меняться не только настоящее и будущее, но и прошлое этих универсумов.
Склейки существуют как в явлениях материального, так и ментального уровней. Материальные склейки проявляются как «чудеса» — появление или исчезновение физических предметов, а ментальные проявляются в явлениях «измененного» или «расширенного» сознания.
При эвереттовской трактовке квантовой механики время теряет свою однонаправленность, но также может «ветвится» и даже обращаться вспять. По мнению М. Менского, «ветвителем» миров и времен может быть сознание наблюдателя либо мировая информация (память). Следует упомянуть эвереттовское представление о мультивидууме — единстве всех индивидуумов данного «я» во всех ветвях Многомирия.
Я не думаю, что эвереттика — результат формализации понятий и символов. Речь идет даже не о трактовке, а ее убедительности: если многомирие плодотворно, если на базе нового подхода возможны новые прорывы не только в миропонимании, но и в создании новых технологий, то у нас нет оснований следовать по пути средневековых инквизиторов. Если квантовая неопределенность не просто приводит к новым мирам, но позволяет взглянуть «за горизонт», почему от нее необходимо отказываться априори? В ее принятии я вижу преимущество неофилии над неофобией.
Идеи эвереттики распространяются не только на новую физику, но и на культуру в целом, особенно на понимание природы художественного творчества и «альтернативной истории». Согласно этим представлениям, неизбежны такие склейки миров, в результате которой ветви Мультиверса проявятся в восприятии мультивидуума, как единая структура. Для такого мультивидуума Многомирие окажется такой же естественной средой, как планета Земля для ее биосферы.
Дэвид Дойч, внесший большой вклад в квантовые расчеты, считает, что «объяснения квантовых свойств ставит чрезвычайные ограничения на все иные интерпретации квантовой механики, отличающиеся от интерпретации Эверетта». Кстати, Дэвиду Дойчу принадлежит идея «столкновения вселенных», но для понимания природы этого процесса необходим концептуальный прорыв в квантовой механике. Развитием концепции Хью Эверетта в настоящее время занимается Международный Центр Эвереттовских Исследований.
Одна из попыток построить более глубокую теорию квантовых измерений связана с идеей спонтанной декогеренции, при которой декогеренция происходит не в результате взаимодействия системы с окружением, а самопроизвольно без внешнего влияния. В этом случае она становится одним из фундаментальных законов природы. Разные варианты такого подхода, видимо, будут проверены экспериментально в ближайшие годы. Даже если проверка даст отрицательный результат, можно не отказываться от теории, но лишь изменить ее параметры.
В еще одной интерпретации квантовой теории, предложенной сотрудником Дж. Уилера В. Цуреком, введено понятие квантового дарвинизма — конкуренции квантовых состояний за то, чтобы оказаться декогерированными и получить право на существование в виде стабильных структур. В результате такого «естественного отбора» выживают лишь те структуры, которые лучше других обмениваются с соседями информацией и энергией.
В. Цурек предложил также использовать информационно-теоретическую формулировку квантовой механики. Эта формулировка все чаще трактуется как один из наиболее успешных в квантовой физике способов решения проблемы редукции волнового пакета и как перспективную форму ее новой интерпретации.
Явно под влиянием научной смелости Х. Эверетта и В. Цурека А. Е. Сковилль * (* А. Е. Scoville. First Order, Dark Matter, and the Effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences // Fundamental Problems in Quantum Theory. A Conference Held in Honour of Prof. J.A.Wheeler. Ann. of N. Y., Ac. of Sc. 1995. Vol. 775. P. 896–897) сделал очередной шаг в направлении к принятию виртуальной реальности как разновидности реальности существующей. Констатируя, что стандартная космология Большого Взрыва не может объяснить ускоренного расширения Вселенной и наличия неидентифицированных темной материи и темной энергии, А. Е. Сковилль связывает недостающую темную материю с «математически эффективным вычислением»: сама математика становится не только инструментом познания, но как бы «материей» физики. Подобным образом Л. Больцман некогда использовал «математическую феноменологию» для подтверждения атомистичности вещества.
Многомировая интерпретация квантовой механики: как родилась одна из самых смелых идей
Источник