Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

Рассмотрим наиболее известный из всех мысленных экспериментов – знаменитый (или я должен сказать «печально известный»?) эксперимент с котом Шрёдингера. Представьте себе, что в полдень, в 12:00, кот помещается в закрытый ящик вместе с нейтроном и пистолетом. Когда нейтрон распадается (случайно), образующийся при распаде электрон активирует цепь, которая вызывает пистолетный выстрел, убивающий кота.

Практикующий квантовый механик – назовём его Ш. – пытается проанализировать эксперимент, написав волновую функцию – список вероятностей для различных результатов. Ш. не может учесть всю Вселенную, поэтому он ограничивает описание системы только теми объектами, которые находятся внутри ящика. Моменту полудня соответствует только одна запись: «Кот жив, нейтрон цел, пистолет заряжен». После этого Ш. проделывает некие математические манипуляции, чтобы решить уравнение и узнать, что будет дальше. Но результат его вычислений не является точным предсказанием, будет кот жив или мёртв. Результатом будет новое значение волновой функции, которая теперь состоит из двух записей: «Кот жив, нейтрон цел, пистолет заряжен» и «Кот мёртв, нейтрон распался, пистолет выстрелил». Волновая функция расщепляет ход истории на две ветви: «живую» и «мёртвую», а её численные значения являются квадратными корнями из вероятностей реализации этих двух исходов.

Ш. может открыть ящик и проверить, жив кот или нет. Если кот жив, то Ш. может смело выбросить ветвь волновой функции, приводящую к смерти кота. Эта ветвь, если продолжить её дальше во времени, будет содержать всю информацию о мире, в котором кот был застрелен, но так как Ш. обнаружил кота живым, эта информация ему больше не нужна. Существует термин для процесса исчезновения побочных ветвей волновой функции при выполнении акта наблюдения. Его называют редукцией волновой функции. Это очень удобный трюк, позволяющий физику сосредоточиться только на тех вещах, которые впоследствии могут представлять интерес. К примеру, «живая» ветвь содержит информацию, которая может заинтересовать Ш. Если он проследит эту ветвь в будущее, он сможет определить вероятность того, что пистолет впоследствии случайно выстрелит и застрелит самого Ш. (что будет возмездием за издевательство над котом). Редукция волновой функции, происходящая при каждом акте наблюдения, является ключевым моментом знаменитой копенгагенской интерпретации квантовой механики, которую отстаивал Нильс Бор.

Но редукция волновой функции не является компонентом математического аппарата квантовой механики. Это некое дополнительное математическое правило, которое ввёл Бор для описания результата наблюдения. Это волюнтаристское правило стало головной болью для нескольких поколений физиков. По большей части проблема состоит в том, что Ш. ограничивает описываемую систему только теми объектами, которые находятся в ящике, но в конце эксперимента Ш. сам становится частью системы, производя акт наблюдения. Сегодня уже нет сомнений, что последовательное описание обязательно должно включать Ш. как часть системы. Вот как оно должно выглядеть.

Волновая функция теперь описывает всё, что находится в ящике, а также фрагмент физической материи, который мы называем Ш. Первоначальная волновая функция по-прежнему состоит только из одной записи, но теперь эта запись выглядит следующим образом: «Кот жив, пистолет заряжен, нейтрон цел, Ш. ничего не знает о здоровье кота». Спустя некоторое время Ш. открывает ящик. Теперь волновая функция состоит из двух записей: «Кот жив, пистолет заряжен, нейтрон цел, Ш. знает, что кот жив» и «Кот мёртв, пистолет выстрелил, нейтрон распался, Ш. знает, что кот мёртв». Как видите, нам удалось включить Ш. в описание системы без привлечения идеи редукции волновой функции.

Но теперь предположим, что у нас появился ещё один наблюдатель – назовём его Б. Б. отсутствовал в комнате в тот момент, когда Ш. проводил своё живодёрский эксперимент. Когда Б. открывает дверь, чтобы посмотреть, что происходит в лаборатории, он видит один из двух исходов. Поскольку нет никакого смысла в отслеживании нереализованной ветви, получается, что появление Б. приводит к редукции волновой функции. Похоже, что нам не избежать этой лишней операции. Но давайте попробуем включить в волновую функцию и Б. Отправной точкой будет система, включающая всё, что находится в ящике, и два сгустка материи, называемые Ш. и Б. Начальное состояние системы теперь будет описываться так: «Кот жив, пистолет заряжен, нейтрон цел, Ш. ничего не знает о здоровье кота, и Б. ничего не знает о здоровье кота». Когда Ш. открывает ящик, волновая функция расщепляется на две ветви: «Кот жив, пистолет заряжен, нейтрон цел, Ш. знает, что кот жив, и Б. ничего не знает о здоровье кота» и «Кот мёртв, пистолет выстрелил, нейтрон распался, Ш. знает, что кот мёртв, и Б. ничего не знает о здоровье кота». Наконец, когда Б. входит в комнату, первая ветвь волновой функции принимает вид: «Кот жив, пистолет заряжен, нейтрон цел, Ш. знает, что кот жив, и Б. знает, что кот жив». Я оставлю читателю возможность самому сформулировать описание остальных ветвей. Главное, что мы сумели описать эксперимент без привлечения редукции волновой функции.

А теперь предположим, что есть ещё один наблюдатель, именуемый Э. Ничего страшного. Вы наверняка уже поняли, по какому шаблону следует действовать: единственный способ избежать редукции волновой функции – включить в квантовое описание всю наблюдаемую Вселенную, а также все ветви её волновой функции. Предлагаемая интерпретация является альтернативой прагматичному правилу Бора, требующему завершать описание любого эксперимента редукцией волновой функции.

Эвереттовский способ представления волновой функции описывает бесконечное ветвящееся дерево всевозможных исходов. Большинство физиков – последователей Бора – представляло себе ветви волновой функции как математическую фикцию, за исключением одной-единственной ветви, которая остаётся после акта наблюдения. Редукция волновой функции является полезным инструментом для отсечения ненужных ветвей, но многие физики считают это правило произвольным вмешательством внешнего наблюдателя – процедурой, не основывающейся на базовом математическом аппарате квантовой механики. Почему математика должна включать в описание все возможные ветви, если их единственная роль – быть отброшенными на последнем этапе?

По мнению сторонников многомировой интерпретации, все ветви волновой функции одинаково реальны. На каждой развилке мир ветвится на две или более альтернативные вселенные, которые продолжают вечно существовать бок о бок. В представлении Эверетта реальность постоянно ветвится, но с одной оговоркой: различные ветви никогда не взаимодействуют друг с другом после того, как они разошлись. На «живой» ветви дух мёртвого кота никогда не будет преследовать Ш. в ночных кошмарах. Правило Бора – это просто трюк, позволяющий отрезать лишние ветви, которые вполне реально существуют, несмотря на то что не оказывают в будущем никакого воздействия на наблюдателя.

Стоит отметить ещё один момент. С течением времени мы на определённом этапе истории получаем невероятно разветвлённую волновую функцию, и в её описании присутствует невообразимое количество копий каждого возможного варианта развития событий. Рассмотрим бедного Б., пока он ещё не вошёл в комнату. Волновая функция, разветвляющаяся в момент, когда Ш. открывает ящик, разделяет историю всех входящих в описание системы объектов, в том числе и Б., на две ветви, причём состояние Б. в каждой из этих ветвей одинаково. Количество ветвей, содержащих вас, читающих эту книгу, практически бесконечно. В этом контексте понятие вероятности имеет смысл только как относительная частота различных результатов. Один из результатов является более вероятным, чем другой, если он присутствует в большем количестве ветвей.

С точки зрения эксперимента различий между многомировой и копенгагенской интерпретациями нет. Никто не спорит с тем, что на практике копенгагенское правило редукции волновой функции даёт правильные вероятности экспериментальных результатов. Но эти две интерпретации глубоко различаются в отношении философского смысла этих вероятностей. Копенгагенцы придерживаются консервативного взгляда, считая, что вероятность есть мера возможности получения определённого результата при проведении большого числа повторяющихся экспериментов. Представьте себе монету. Если монета «правильная», вероятность любого исхода (орёл или решка) равна одной второй. Это означает, что если подбросить монету достаточно большое количество раз, то примерно в половине случаев она упадёт решкой, а в половине – орлом. Чем больше количество подбрасываний, тем ближе полученный результат будет к идеальному соотношению 50 на 50. Подобные рассуждения применимы и при бросании игральной кости. Каждая из граней кости при достаточно большом числе бросаний будет выпадать (с точностью до погрешности) с частотой одна шестая. Обычно никто не применяет статистику к единственному броску монеты или игральной кости. Но многомировая интерпретация делает именно это. Она имеет дело с единичными событиями способом, комичность которого особенно хорошо видна на примере подбрасывания монеты. Идея, что при подбрасывании монеты мир расщепляется на два параллельных – мир орла и мир решки, – не кажется слишком перспективной.