Фантомные миры Хью Эверетта

Как Хью Эверетт III придумал многомировую интерпретацию квантовой механики и чем это для него обернулось

Хью Эверетт — весьма любопытная фигура, неизменно возбуждающая интерес тех, кто хоть немного интересуется физикой. В среднем, если верить неформальным опросам физиков физиками, эвереттовской интерпретации квантовой механики симпатизирует 17−18% практикующих физиков. Почему Эверетт вообще взялся за то, чтобы сформулировать альтернативное «копенгагенскому» понимание природы квантовых эффектов?

Пятидесятые годы прошлого века для физики оказались весьма неоднозначными. С одной стороны, они стали эпохой крупных успехов. Было завершено объединение квантовой механики с теорией электромагнитного поля и построена квантовая электродинамика. Без большой задержки появились микроскопическая квантовая теория сверхпроводимости и другие немаловажные достижения. Но это десятилетие также было временем разброда и шатаний. Экспериментаторы раз за разом открывали (сначала в космическом излучении, а потом и на ускорителях) все новые частицы с экзотическими свойствами. 

К 1957 году было окончательно доказано, что многие распады частиц не сохраняют четность, то есть нарушают зеркальную симметрию, в которую физики верили, как в Священное Писание. Экспериментальная физика высоких энергий процветала, но теория за ней не успевала. Такие ситуации обычно стимулируют поиск нестандартных выходов. Так случилось и на этот раз. В 1954 году перебравшийся в США китайский физик Янг Чжэньнин и его коллега по Брукхэйвенской национальной лаборатории Роберт Миллс предложили в высшей степени новаторский подход к описанию протонов и нейтронов. Тогда же Хью Эверетт (в те времена аспирант физического факультета Принстонского университета) пришел к не менее революционной интерпретации нерелятивистской квантовой механики, которую полностью развил двумя годами позже. Обе работы отличала интеллектуальная смелость и математическое изящество, но физическое сообщество их практически не заметило, хотя и по разным причинам. 

Из гипотезы Янга и Миллса следовало существование заряженных частиц с нулевой массой, которых, как тогда думали, не было в природе. Интерпретация Эверетта, напротив, не вела к новым предсказаниям, но выглядела неоправданно парадоксальной и практически ненужной. Со временем модель Янга и Миллса превратилась в краеугольный камень современной теории микромира — Стандартной модели элементарных частиц (кстати, статья Стивена Вайнберга с первой успешной версией этой теории была опубликована ровно полвека назад, в ноябре 1967 года). 

Работа Эверетта не повлияла на генеральную линию развития теоретической физики, но со временем привлекла внимание космологов, хотя и без особых практических последствий. Идеи Янга и Миллса — предмет особого разговора, мы же займемся Эвереттом. Он попытался упразднить выявленную еще в конце 1920-х годов логическую рассогласованность нерелятивистской квантовой механики. 

Вся физически реализуемая информация о поведении квантовомеханического объекта заложена в его волновой функции. Квантовое описание объекта основано на статистическом подходе: вероятность нахождения электрона в данной точке пространства в определенный момент времени определяется квадратом модуля величины его волновой функции в этой точке в этот момент. Для определения этого значения используется уравнение Шредингера, описывающее изменения волновой функции во времени и пространстве. Вот здесь-то и зарыта собака. 

Предположим, что в пространстве размещены детекторы, один из которых в какой-то момент обнаружит наличие электрона. Тогда вероятность нахождения частицы в этот момент в точке расположения детектора сразу превратится в единицу, а вероятность ее появления где и когда угодно еще — в нуль. Но если решить уравнение Шредингера до срабатывания детектора, то окажется, что волновая функция непрерывно распределена во времени и пространстве. Получается, что сам акт измерения мгновенно и необратимо изменяет волновую функцию, вызывает ее коллапс. 

Однако уравнение Шредингера просто не имеет подобных коллапсирующих решений. Так что же происходит с волновой функцией в процессе измерения? С точки зрения стандартной, копенгагенской интерпретации квантовой механики задача решается просто. Измерение — это акт взаимодействия квантового объекта с классической системой (прибором), в результате чего она переходит из одного макросостояния к другому (в нашем примере срабатывает детектор). Этот акт находится вне компетенции шредингеровского уравнения, которое работает лишь в чисто квантовой зоне. 

С точки зрения копенгагенской интерпретации такова объективная реальность, для которой вовсе не нужны дополнительные обоснования. Именно против этой трактовки выступил Эверетт. В его интерпретации волновая функция вообще никогда не коллапсирует. Существует бесконечное множество параллельных и равноправных копий, воплощений физической реальности. Волновая функция описывает единый Квантовый Мир, представляющий собой набор бесконечного числа возможных состояний. В процессе каждого конкретного измерения он расслаивается на классические проекции, в которых находятся наблюдатели, то есть мы с вами. 

Любой возможный результат эксперимента реализуется в этих альтернативных проекциях. Так, если результат измерения — выбор всего из двух вариантов (скажем, спин вверх или спин вниз), то после измерения из-за ветвления волновой функции рождаются два мира, в одном из которых реализуется вариант А, в другом — вариант Б (кстати, эта идея неоднократно обыграна фантастом Павлом Амнуэлем). 

В чем-то интерпретация Эверетта проще копенгагенской, поскольку обходится без коллапса волновой функции. Но за простоту приходится платить, допустив постоянное ветвление классических миров. Последователи Эверетта даже предложили объяснения тому, почему мы этого не замечаем. 

К примеру, можно предположить, что различные ветви единой волновой функции, описывающие параллельные миры, осциллируют во времени не в фазе и потому друг для друга как бы не существуют. 

Поначалу физическое сообщество проигнорировало эвереттовскую идею как беспочвенную фантазию. Ситуация изменилась, когда к ней проявили интерес такие крупные физики, как Брайс де Витт и Джон Уилер (отец теории черных дыр и, к слову, руководитель Эверетта в аспирантуре). Она получила уважительное название «интерпретация многих миров» (many-worlds interpretation), скорее способное ввести в заблуждение, поскольку правильнее говорить не о «многомировой», а о «многопроекционной» картинке.

Судьба кота из мысленного эксперимента Шредингера в интерпретации Эверетта. 
Иллюстрация: Christian Schirm / CC0

Интерпретация Эверетта (некоторые возводят ее в ранг теории), в общем, так и осталась если не спекуляцией, то чисто умозрительной конструкцией, во всяком случае, для абсолютного большинства ученых. Однако она нашла применение в работах ряда создателей квантовой теории гравитации, и в первую очередь де Витта и Уилера. В 1967 году они попытались объединить эйнштейновскую общую теорию относительности с уравнением Шредингера, чтобы получить волновую функцию, описывающую всю безграничную Вселенную. 

По определению такая трактовка не допускает существования внешних наблюдателей, и это роднит ее с подходом Эверетта. Однако работы де Витта с Уилером и их последователей так и не привели к созданию квантовой теории гравитации. В наше время для решения этой задачи привлекают теорию суперструн и теорию петлевой гравитации, основанные на принципиально иной идеологии. 

Главная слабость подхода Эверетта — абсолютизация классической квантовой механики с ее уравнением Шредингера. Сегодня мы видим в ней не универсальную основу понимания физической реальности, а лишь теорию, которая объясняет вполне конкретный класс процессов в определенном диапазоне энергий. Ее можно считать предельным случаем более общего описания микромира в терминах квантовых полей, которое не имеет логических проблем с интерпетацией результатов измерений и вообще не использует уравнение Шредингера. При подобном подходе исчезает и необходимость в теории Эверетта. 

В 1921 году Альберт Эйнштейн сказал на семинаре в Принстоне, что Господь Бог изощрен, но не злонамерен. В духе этого изречения стоит отметить, что справедливость интерпетации Эверетта означала бы, что Всевышний уж слишком расточителен. 

В 1957 году Принстонский университет все же присудил Эверетту докторскую степень по физике, однако его там уже не было. В попытке откосить от военного призыва он предпочел стать сотрудником Пентагона, где возглавил группу экспертов, оценивающих возможности новых видов вооружений.  

В 1960 году он принимал участие в подготовке доклада, убедившего военных и государственных лидеров, что ядерный конфликт между США и СССР чреват гибелью всего человечества. Вероятно, именно это и надо считать его главным достижением. 

Позднее Эверетт и его коллеги основали две консалтинговые компании, работавшие над военным и экономическим планированием по заказам правительства. Несмотря на успехи в бизнесе, Эверетт страдал депрессией, алкоголизмом и был заядлым курильщиком. 19 июля 1982 года в возрасте неполных 52 лет он умер во сне от инфаркта миокарда. Мир его праху.


Алексей Левин