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

оценкам: ведь то, что мы считаем вероятным, случается с нами часто, а то, что считаем маловероятным, происходит редко.

Расходясь с учебниками, Эверетт отстаивал идею, что вероятности в квантовой теории субъективны точно так же, как и все остальные используемые нами вероятности. В его схеме они возникают потому, что неведение экспериментаторов о конкретном исходе эксперимента, свидетелями которого они станут, является источником неполной информации. Вероятности дают количественное выражение этой неопределенности и тем самым служат для экспериментаторов руководством для определения шансов того или иного исхода – так же, как мы пользуемся прогнозом погоды, когда решаем, брать ли с собой зонтик. Красота и полезность квантовой теории в том, что уравнение Шрёдингера можно использовать для предсказания относительных высот (амплитуд) волновых фрагментов, соответствующих всем возможным исходам измерения, и что квадраты этих волновых амплитуд дают оптимальную стратегию выбора ставок на различные исходы.

Получается, что на уровне повседневного опыта каждый акт наблюдения соответствует как бы процедуре обрубания ответвлений возможного будущего. Ситуация измерения в квантовой теории напоминает дорожную развилку: в этой точке история разделяется на два или более ответвлений. Опыт любого наблюдателя, оказавшегося в такой точке ветвления, говорит о том, что реализуется лишь одна из ветвей. Ветви, которые не соответствуют исходу измерений наблюдателя, развиваются независимо и интереса больше не представляют, так же как и все части дерева, вырастающие из них. В каком-то смысле они уплывают в неизмеримый океан возможностей. Физики говорят, что такие непересекающиеся друг с другом ветви истории расщепляются (decouple), или декогерируют.

Однако декогерируют не все истории. Знаменитый пример – интерферирующие траектории в эксперименте с двумя щелями, о котором я рассказывал в главе 3. В этой схеме пути электрона, проходящего через одну щель, не отделяются от путей, проходящих через вторую щель, а переплетаются, образуя на экране интерференционную картину (см. рис. 20). Переплетение путей означает, что, наблюдая точки прихода на экране, мы не можем сказать, через какую из щелей прошел электрон. Дело выглядит так, как будто каждый индивидуальный путь не обладает полной идентичностью. Только общая сумма всех интерферирующих путей, заканчивающихся в данной точке экрана, составляет независимую ветвь реальности, обладающую значимой вероятностью. Именно поэтому наблюдаемая интерференционная картина объясняется фейнмановской схемой суммирования по историям.

Давайте, однако, представим себе видоизменение этого эксперимента: теперь у каждой щели имеется газовое облако (см. рис. 42). При этом, когда электрон проносится сквозь преграду, фрагменты волны, исходящие из каждой щели, будут взаимодействовать с газом и быстро сделаются несовместимыми: на пути к экрану им будет практически невозможно проинтерферировать.

Неудивительно поэтому, что теперь интерференционная картина на экране больше не появляется – вместо нее мы видим две яркие полосы примерно напротив обеих щелей. Эта картина отражает два главных пути частицы к экрану. На языке Эверетта мы говорим, что среда, состоящая из частиц в окрестности щелей, выполнила акт наблюдения. Это привело к декогеренции волновых фрагментов на две ясно различающиеся истории – ветви реальности, – которые с этого момента развивались независимо. Мы могли бы сказать, что фактически газ задал вопрос: «Через какую из щелей прошел электрон?» – и что тем самым он вынудил волновую функцию электрона расщепиться на два разобщенных фрагмента, соответствующих двум возможным ответам.

Два варианта опыта с двойной щелью иллюстрируют два ключевых свойства схемы Эверетта. Первое: природа задаваемых нами вопросов влияет на структуру дерева независимых ветвей возможных исходов эксперимента. Второе: значимые предсказания в форме оценок разумных исходов, сумма вероятностей которых равна единице, могут быть сделаны только о независимых, декогерентных и существенно различных исторических траекториях. Мы вернемся к этому вопросу в главе 7, где я расскажу, что остается от мультивселенной, когда мы становимся на точку зрения квантовой космологии.

Рис. 42. Вариант эксперимента с двумя щелями: вблизи щелей находятся газовые облака частиц, которые взаимодействуют с электронами. Даже если эти столкновения не очень влияют на траектории электронов, они так или иначе устраняют слабые корреляции между всеми возможными путями частиц к экрану. Вследствие этого интерференционная картина разрушается и вместо нее на экране, примерно напротив щелей, появляются две яркие полосы, соответствующие двум главным путям к экрану. В квантовом смысле частицы газа выполняют акт наблюдения.

В макроскопическом мире процессы, вызывающие декогеренцию, поистине вездесущи. Ежесекундно наша окружающая среда выполняет бесчисленные акты наблюдения, уничтожая квантовую интерференцию и приводя мириады потенциальных возможностей к немногим реальным исходам. Таким образом, среда играет роль естественного мостика между призрачным микромиром суперпозиций и твердо определенным макромиром ежедневного опыта. Даже более того, процессы декогеренции в среде и есть то, что вообще делает довольно грубую классическую реальность возможной, несмотря на постоянные квантовые вибрации на микроскопических масштабах.

Возьмем высокоэнергетическую частицу, испущенную радиоактивным атомом, скажем, атомом урана в земной коре. Вначале эта частица существует как волновая функция, распространяющаяся во всех возможных направлениях; она остается не вполне реальной, пока не провзаимодействует, например, с куском кварца. Когда это случается, одна из множества возможных траекторий частицы сгущается в реальную. Взаимодействие с кварцем преобразует то, что могло бы случиться, в то, что на деле произошло, когда атом урана распался. Внутри любой данной ветви истории этот процесс проявляется как «замороженный случай» в структуре набора атомов, на который воздействовала высокоэнергетическая частица; треки таких частиц иногда используются для датировки минералов. Вселенная, которую мы видим вокруг – данная ветвь реальности, – есть коллективный результат бесчисленного количества таких актов наблюдения. Зафиксированный и выстроенный на протяжении миллиардов лет из неисчислимых случайных исходов, каждый из которых добавляет несколько бит информации в нашу ветвь истории, мир вокруг нас таким путем приобрел свою конкретную идентичность. Поэтому не следует удивляться тому, что в ходе нашего разговора Стивен заключил: взгляд на Вселенную с квантовых позиций вносит в космологию некий ретроградный, обращенный против движения времени элемент.

В математическом отношении схема Эверетта исключительно элегантна: все подчиняется уравнению Шрёдингера. Оно универсально. Подход Эверетта демонстрирует, что классический конструкт Бора – просто лишний груз, без которого можно обойтись. Квантовое измерение прекрасно описывается как интерактивный процесс, в ходе которого происходит запутывание подсистем, – оно вызывает разделение универсальной волновой функции на обособленные декогерентные ветви, которые тут же становятся взаимно невидимыми. Человеческое сознание, люди-экспериментаторы и человеческие наблюдения в схеме Эверетта нельзя считать ни полностью посторонними и не имеющими отношения к делу, ни отдельными сущностями, которые подчиняются другим правилам. Они рассматриваются просто как часть более широко понимаемой квантовомеханической среды и на фундаментальном уровне неотличимы от, скажем, молекул воздуха и фотонов. Эверетт показал, что мы можем оседлать универсальную квантовую волну, а не только смотреть на нее с берега.

И это не просто вопрос семантики или интерпретации. Схемы Эверетта и Бора дают глубоко