Существуют ли параллельные вселенные на самом деле, или это лишь фантазия физиков-теоретиков? В новом выпуске научно-популярного канала Veritasium его ведущий Дерек Мюллер вместе с профессором Калифорнийского технологического института Шоном Кэрроллом подробно разбирают многомировую интерпретацию квантовой механики. Они объясняют, почему знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера с котом указывает не на странность микромира, а на фундаментальную неполноту классического подхода к физическим измерениям.
🌀 От детерминизма к вероятности: кризис квантовых измерений 0:00
Классическая механика полностью детерминирована: если известны начальное положение и скорость частицы, закон Ньютона позволяет точно рассчитать её будущее состояние. В квантовой механике математический аппарат устроен схожим образом. Если известно квантовое состояние частицы — её волновая функция, — то уравнение Шрёдингера позволяет рассчитать, как эта функция будет плавно и непрерывно распространяться в пространстве с течением времени.
Однако, как отмечает Дерек Мюллер, на практике учёные никогда не наблюдают саму волновую функцию напрямую. Вместо этого при попытке провести измерение они всегда обнаруживают частицу в одной конкретной точке пространства. Ведущий задаётся вопросом: как примирить размытую в пространстве волновую функцию с точечным детектированием частицы?
Исторически создатели квантовой теории посчитали само измерение более «реальным», чем волновую функцию, поскольку именно измерение соответствовало их повседневному физическому опыту. Французский физик Луи де Бройль предположил, что материя обладает волновыми свойствами, после чего Эрвин Шрёдингер сформулировал своё знаменитое волновое уравнение.
Интерпретацию этой функции предложил немецкий физик Макс Борн. По словам Мюллера, Борн высказал гипотезу, что квадрат комплексной амплитуды волновой функции даёт вероятность обнаружить частицу в данном месте. Примечательно, что это революционное правило о вероятности появилось лишь в последний момент в виде сноски в научной статье Борна.
Введение вероятности в основу физической картины мира лишило Вселенную детерминизма, что вызвало дискомфорт у многих учёных, включая Альберта Эйнштейна. Тем не менее, «правило Борна» легло в основу стандартной квантовой механики благодаря своей феноменальной предсказательной точности в экспериментах.
В итоге, как объясняет Мюллер, традиционная квантовая механика стала опираться на два набора правил:
- Когда за системой не наблюдают, её волновая функция эволюционирует плавно и непрерывно согласно уравнению Шрёдингера.
- В момент измерения волновая функция мгновенно и необратимо «коллапсирует», оставляя лишь один исход, вероятность которого равна квадрату амплитуды волновой функции.
🐈 Парадокс Шрёдингера: зачем физику понадобился кот 2:48
Эрвин Шрёдингер категорически не принимал концепцию внезапного коллапса волновой функции. По словам Мюллера, именно для демонстрации абсурдности этой идеи учёный придумал свой знаменитый мысленный эксперимент с котом в ящике.
Суть эксперимента заключается в следующем:
- Радиоактивный атом помещается в закрытый ящик вместе со счётчиком Гейгера.
- Если атом распадается, датчик регистрирует радиацию и запускает механизм, разбивающий ампулу с ядовитым цианистым калием.
- Если атом не распадается, яд остается заблокированным, и животное выживает.
Поскольку жизнь кота напрямую зависит от состояния атома, их состояния становятся квантово связанными, или «запутанными». Квантовая механика утверждает, что до измерения атом находится в суперпозиции — он одновременно и распался, и не распался. Следовательно, волновая функция всей системы внутри ящика представляет собой суперпозицию двух макроскопических состояний: «атом не распался, яд не выделен, кот жив» и «атом распался, яд выделен, кот мёртв».
Согласно традиционной копенгагенской интерпретации, кот буквально жив и мёртв одновременно, пока наблюдатель не откроет ящик и не произведёт измерение, вызвав коллапс волновой функции.
Мюллер подчёркивает, что Шрёдингер придумал этот пример не для того, чтобы показать странность квантового мира, а чтобы доказать ошибочность формулировки квантовой механики того времени. По мнению ведущего, существует более логичный способ осмысления этой загадки, основанный на трёх столпах: суперпозиции, запутанности и самом процессе измерения.
🔬 Два столпа квантового мира: суперпозиция и запутанность 5:13
Первый элемент квантовой реальности — суперпозиция, то есть способность квантовых объектов находиться в двух разных состояниях одновременно. Мюллер указывает, что, несмотря на кажущуюся безумность, это явление подтверждается знаменитым экспериментом с двумя щелями.
Когда физики пропускают одиночные электроны через две щели на экран, они видят интерференционную картину, а не просто сумму двух полос. Это заставляет прийти к выводу, что каждый электрон проходит через обе щели одновременно, ведя себя как распространяющаяся волна, пока за ним никто не смотрит. Таким образом, суперпозиция — это экспериментально доказанный факт.
Второй элемент — квантовая запутанность. Мюллер приводит пример с двумя электронами, которые сталкиваются и разлетаются с равными и противоположными скоростями. До измерения импульс каждого электрона находится в суперпозиции состояний. Но как только измеряется импульс одного из них, импульс второго частицы становится мгновенно известен, чтобы не нарушался закон сохранения импульса. Это происходит, даже если электроны находятся на расстоянии световых лет друг от друга.
Физическое объяснение запутанности, по словам ведущего, заключается в том, что после взаимодействия у частиц больше нет раздельных волновых функций. Они описываются единой волновой функцией всей системы. Более того, строго говоря, существует лишь одна волновая функция — волновая функция всей Вселенной, включающая в себя абсолютно всё.
🌌 Многомировая интерпретация: почему Вселенная постоянно расщепляется 8:04
Поскольку концепции суперпозиции и запутанности математически безупречны, Мюллер предлагает пересмотреть третий элемент — концепцию измерения. Традиционное измерение — это просто взаимодействие одной квантовой системы (например, электронов и фотонов) с другой квантовой системой (макроскопическим прибором или человеком).
Если убрать искусственное правило «коллапса», то при открытии ящика с котом Шрёдингера никакого схлопывания волновой функции не происходит. Наблюдатель, также состоящий из атомов, подчиняющихся квантовым законам, просто запутывается со всем содержимым ящика.
В этот момент, согласно многомировой интерпретации, волновая функция Вселенной разветвляется вследствие процесса, называемого «декогеренцией за счёт окружающей среды» (environmental decoherence). Датчик в ящике непрерывно бомбардируется молекулами воздуха и фотонами, которые разлетаются по-разному в зависимости от того, распался атом или нет. В результате датчик мгновенно запутывается с окружающей средой, разделяя волновую функцию вселенной на две слегка отличающиеся копии.
По мнению Хью Эверетта, создателя многомировой интерпретации, этот процесс происходит постоянно:
- В одной реальности наблюдатель видит живого кота.
- В другой реальности точная копия этого наблюдателя видит мёртвого кота.
- Оба наблюдателя происходят от одного человека, но после расщепления они больше не идентичны, и их реальности никогда не пересекутся.
Мюллер считает, что многомировая интерпретация гораздо элегантнее традиционной: она не требует искусственного механизма коллапса волновой функции. Она возвращает Вселенной детерминизм — каждый возможный исход реализуется на 100% времени, просто люди видят лишь крошечную долю мультивселенной.
🎙️ Профессор Шон Кэрролл отвечает на главные возражения 12:32
Чтобы проверить жизнеспособность многомировой теории, Дерек Мюллер обратился к профессору Калифорнийского технологического института Шону Кэрроллу, автору книги «Что-то глубоко скрытое» (Something Deeply Hidden). Физик-теоретик ответил на самые популярные вопросы и возражения критиков этой концепции.
Закон сохранения энергии
Одно из главных возражений звучит так: откуда берётся колоссальная энергия на создание бесконечного числа новых вселенных при каждом квантовом событии? По мнению Шона Кэрролла, математика даёт чёткий ответ: закон сохранения энергии здесь не нарушается.
По мнению Шона Кэрролла, закон сохранения энергии в данном случае работает безупречно: «Энергия всей волновой функции сохраняется на 100%, но происходит разделение, нарезание уже существующей Вселенной на части». Получившиеся ветви выглядят изнутри идентично исходной вселенной, но каждая из них вносит пропорционально меньший вклад в общую энергию всего сущего (их квантовая амплитуда, или «вес», уменьшается).
Частота ветвления вселенных
На вопрос о том, как часто происходит разделение миров, Кэрролл признаётся, что точного ответа у науки пока нет, и называет это «постыдным фактом» для физики. Тем не менее, это происходит невероятно часто.
Кэрролл приводит в пример человеческое тело: в организме каждого человека каждую секунду происходит около 5000 распадов радиоактивных ядер. Каждый такой распад представляет собой квантовую суперпозицию, которая при взаимодействии с окружением запутывает среду и заставляет Вселенную разветвляться многократно за одну секунду. Общее число ветвей огромно, но конечно оно или бесконечно — неизвестно, так как детали зависят от нерешённых вопросов квантовой гравитации и космологии.
Заблуждение о «всемогуществе» мультивселенной
Многие полагают, что в многомировой интерпретации происходит абсолютно всё, что можно вообразить. Кэрролл подчёркивает, что это не так: волновая функция строго подчиняется уравнению Шрёдингера. Происходит лишь то, чему уравнение Шрёдингера дает ненулевую вероятность.
Например, электрон никогда не превратится в протон, так как это нарушило бы законы сохранения массы и заряда. Однако, отвечая на вопрос Мюллера о возможности стать президентом, Кэрролл подтверждает: существует мир, где копия Дерека Мюллера сейчас является президентом, хотя вероятность (амплитуда) этого мира крайне мала.
🧠 Когнитивные искажения и природа реальности 15:51
Шон Кэрролл отмечает, что традиционная копенгагенская интерпретация кажется людям ближе, поскольку она постулирует существование только одного, привычного нам мира. Однако, по мнению профессора, даже в рамках классической космологии идея бесконечной вселенной ведёт к похожим выводам.
Из-за конечной скорости света люди видят лишь ограниченную часть космоса. Если Вселенная бесконечна, то в ней чисто статистически за счёт перетасовки атомов существует бесконечное число точных копий каждого человека — кто-то из них выигрывает чемпионаты НБА, а кто-то работает супермоделью.
Кэрролл связывает неприятие многомировой теории с человеческим когнитивным искажением. По его словам, люди подсознательно делят вероятности только на три категории:
- 0% — событие невозможно.
- 50% — событие либо произойдёт, либо нет.
- 100% — событие гарантировано.
Когда учёные говорят о квантовом событии с невероятно низкой вероятностью, человек склонен концентрироваться на самом факте теоретической возможности, игнорируя то, что эта вероятность исчезающе мала.
Что касается вопроса о том, происходит ли ветвление вселенной мгновенно во всём пространстве, Кэрролл объясняет, что само понятие «ветвей» — это лишь удобное человеческое описание, а не фундаментальное свойство реальности.
Как утверждает Шон Кэрролл, фундаментальная реальность устроена проще, чем кажется: «Разделение волновой функции Вселенной на разные части, которые мы называем ветвями или мирами, удобно для нас, людей, но это не заложено в саму ткань реальности». По его аналогии, это похоже на описание воздуха в комнате: вместо указания координат и скоростей каждой молекулы люди используют макропонятия температуры и давления. Для самой реальности существует только единая волновая функция Вселенной.
