Читать книгу "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог"

нескольких частиц, но и к гораздо более крупным конгломератам, составляющим макроскопические системы, – включая лаборатории, наблюдателей и в конечном счете Вселенную в целом. Следовательно, Эйнштейн был прав, когда его не убеждала схема Бора. Он, однако, ошибался, пытаясь осуществить мечту об альтернативной физической теории, основанной на предсказательной схеме, которая бы снова сделала акт наблюдений принципиально несущественным.

Выход из этого тупика в конце концов нашелся – в результате тщательно выполненного включения акта наблюдения в математический формализм квантовой теории. Этот синтез вывел квантовую механику гораздо дальше даже того, что предвидел Нильс Бор. Именно к этому мы теперь и переходим.

Все началось с выполненной в середине 1950-х блестящей работы Хью Эверетта III, студента Джона Уилера. Сначала он занимался теорией игр, но после того, как услышал доклад Эйнштейна о квантовом измерении, заинтересовался этой проблемой. Эверетт разрушил стену, воздвигнутую Бором между квантовым микромиром и классическим макромиром. Его ключевая идея состояла в том, чтобы принять всерьез математический аппарат квантовой механики и применить его ко всему. Допустим, предположил он, что никакого коллапса нет, а есть лишь единая универсальная волновая функция, включающая наблюдателей и все остальное, гладко и непрерывно эволюционирующая и в процессе своей эволюции проходящая, в духе Фейнмана, все возможные пути своей истории. То есть Эверетт сделал грандиозный шаг: начал думать о квантовом мире изнутри, как о замкнутой системе, без какого-либо вмешательства извне. Эту точку зрения иллюстрирует рис. 41, на котором кот Шрёдингера, наблюдатель и вся его лаборатория помещены в один большой ящик.

Рис. 41. Эверетт увидел Вселенную как закрытую квантовую систему, нечто вроде большого ящика, содержащего не только частицы и эксперименты, но и наблюдателей, их оборудование и, в принципе, все остальное. Показанные на рисунке возможные истории этой «вселенной в ящике» включают различные варианты: решил ли наблюдатель посмотреть, как поживает кот, когда именно он решил это сделать, распалось ли уже к этому моменту радиоактивное ядро, как эта ситуация была зарегистрирована и как ее интерпретировал мозг наблюдателя, и т. д., и т. п. Эверетт искал такую формулировку квантовой механики, которая предсказывала бы вероятности различных историй происходящего в ящике, но без каких-либо наблюдений извне или другого внешнего вмешательства.

Перед Эвереттом, таким образом, встала труднейшая задача: объяснить, как в ситуации измерения универсальная волновая функция приводит к определенному конкретному ответу, в то же время избегая коллапса. И здесь его рассуждения становятся невероятно интересными – и одновременно шокирующими.

Эверетт тщательно продумал вопрос о том, что в действительности составляет акт квантового наблюдения. Когда экспериментаторы выполняют измерение, рассуждал он, их взаимодействие с измеряемой системой вовлекает в себя – «запутывает» с квантовым состоянием системы – сначала несколько частиц, потом измерительное оборудование и, наконец, их собственное ментальное состояние. Однако это запутывание не приводит, как утверждал Бор, их объединенную волновую функцию таинственным образом к коллапсу; напротив, в соответствии с уравнением Шрёдингера оно вызывает ее разветвление на отдельные волновые фрагменты, по одному на каждый из различных возможных исходов измерения. Таким образом, рассуждая в терминах универсальной волновой функции, которая охватывает как наблюдателя, так и то, что он наблюдает, Эверетт сумел сохранить возможность реализации всех потенциальных исходов измерения. Это, конечно, означало и то, что наблюдатель тоже должен был расщепиться на почти идентичные копии самого себя – по копии в каждой ветви, отличающейся только записанными в ней результатами измерений.

Возьмем, к примеру, кота из знаменитого парадокса, придуманного Шрёдингером: кот помещен в запечатанный ящик, в котором находится мина, приводимая в действие распадом радиоактивного ядра (см. рис. 41). Вероятность распада за определенное время составляет 50 %. В копенгагенской лабораторной схеме ящик рассматривается с внешней точки зрения: схема предсказывает, что кот будет находиться в суперпозиции мертвого и живого одновременно до тех пор, пока ящик не откроют и наблюдатель в него не заглянет. Это не имеет смысла – кот не может быть наполовину живым, как женщина не может быть наполовину беременной. В принятой Эвереттом перспективе, в которой вселенная видится изнутри ящика, вся эта история выглядит совершенно по-другому: в эксперименте, который запутывает судьбу кота с судьбой радиоактивного ядра, история вселенной разветвляется. В одном из ее продолжений ядро распадается, мина взрывается, и коту приходит конец. В другой ветви истории коту повезло – ядро не распадается, и он остается жить. Процесс разветвления происходит гладко и непрерывно: ни одна из копий кота не испытывает необычной суперпозиции, хотя, конечно, исход эксперимента для них разный.

Таким образом, в практическом смысле индивидуальные фрагменты эвереттовской волновой функции ведут себя как отдельные ветви реальности. Каждый из этих фрагментов описывает конкретную историческую траекторию, в которой фигурирует измерительное устройство, регистрирующее конкретный результат, ментальное впечатление, которое наблюдатель получает от исхода опыта, и все остальное, что существует вокруг, – лаборатория, планета Земля, Солнечная система и вся Вселенная. Для наблюдателей, находящихся в своих ветвях, весь процесс раздвоения происходит органично и естественно – как река, разделяющаяся на два рукава. Никто из наблюдателей не подозревает о своем двойнике – они проживают остаток жизни в разных историях, скользя по различным гребням универсальной квантовой волны. «Только вся совокупность состояний этих наблюдателей, с их взаимоисключающим знанием, содержит полную информацию», – заявлял Эверетт[164].

По словам самого Эверетта, он надеялся каким-то образом перебросить мостик между позициями Эйнштейна и Бора, объявив, что различия между ними всего лишь вопрос угла зрения. Свою схему он описывал как «объективно детерминистскую, с вероятностью, появляющейся на субъективном уровне». Это интересный момент. В ранней копенгагенской формулировке квантовой механики вероятности вводились аксиоматически и занимали фундаментальное положение. Откройте любой учебник квантовой механики 1930-х, и на первых же страницах вы увидите, что вероятности определяются как квадраты амплитуд волновых функций. В рамках подхода Эверетта это совсем не так – здесь вероятности проскальзывают в квантовую теорию гораздо более тонким, «субъективным» образом, очень схожим с тем, которым вероятность входит в наше мышление в повседневной жизни. Раздумываем ли мы о погоде, о результатах лотереи или о форме следующей гравитационной волны, которая пройдет через планету Земля, мы все постоянно пользуемся субъективными вероятностями, чтобы дать количественную оценку неопределенности в ситуациях, в которых наши знания неполны. Это понятие вероятности было формализовано итальянским математиком Бруно де Финетти, который в 1974 году написал в своем трактате: «Мой тезис, парадоксальный и немного провокативный, попросту таков: [аксиоматической] вероятности вовсе не существует <…> а существуют только вероятности субъективные, степень веры в осуществимость события, приписываемая данным лицом в данное мгновение и с данным объемом информации»[165]. Это происходит и в реальной повседневной жизни. На протяжении всей нашей жизни большинство из нас доверяет нашим субъективным вероятностным