Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса
Шрифт:
Трудно, но не невозможно.
Это приводит нас к третьему и самому трудному вопросу. Коллапс волн вероятности при измерении (рис. 8.6) является ключевым моментом в копенгагенской интерпретации квантовой теории. Совокупность успешных предсказаний и выдающаяся способность Бора убеждать заставили большинство физиков принять копенгагенскую интерпретацию. Однако немного поразмыслив, можно быстро выявить одно неудобное свойство. Уравнение Шрёдингера, математический мотор квантовой механики, определяет изменение формы волны вероятности со временем. Дайте мне исходную форму волны, например, такую как на рис. 8.5б, и я смогу с помощью уравнения Шрёдингера нарисовать, как она будет выглядеть через минуту, час или в любой другой момент времени. Однако из прямого анализа этого уравнения следует, что показанная на рис. 8.6 эволюция — мгновенное схлопывание волны во всех точках, кроме одной, напоминающее замешкавшегося прихожанина в огромном соборе, который остался одиноко стоять во время службы, в то время как все остальные уже опустились на колени — по всей видимости не может быть описана уравнением Шрёдингера. Несомненно, волны могут иметь пикообразный вид, и вскоре мы начнём широко использовать такие волны. Однако способом, предлагаемым Копенгагенской школой, волна вероятности не может приобрести пикообразный вид. Используемый математический аппарат просто-напросто не допускает подобного. (Мы скоро увидим, почему это происходит.)
Бор предложил некий способ, довольно неуклюжий, задвинуть проблему: следует использовать уравнение Шрёдингера и найти волны вероятности, когда не происходит никакого наблюдения или измерения. Но при наблюдении, продолжает Бор, уравнение Шрёдингера следует отодвинуть в сторонку и объявить, что наблюдение заставило волну схлопнуться.
Однако такое предписание не только нескладное, произвольное и не имеет математического обоснования, оно даже не является понятным. Например, в нём отсутствует точное определение того, что значит «посмотреть» или «измерить». Необходимо ли участие человека? Или, как однажды спросил Эйнштейн, хватит беглого взгляда мыши? Как насчёт использования компьютера или воздействия вирусами или бактериями? Могут ли эти «измерения» заставить схлопнуться волну вероятности? Бор заявлял, что есть существенная разница между микромиром, то есть атомами и элементарными частицами, для которых применимо уравнение Шрёдингера, и макромиром, в котором находятся экспериментаторы со своим оборудованием, для которых уравнение Шрёдингера не применимо. Однако он так и не сказал, в чём именно эта разница. В действительности, он не мог бы этого сказать. С каждым годом экспериментаторы подтверждают правильность уравнения Шрёдингера без каких-либо модификаций для постоянно увеличивающихся наборов частиц, и есть все основания полагать, что оно справедливо для изрядного числа частиц, составляющих нас и всё, что угодно. Подобно наводнению, когда уровень воды медленно растёт, затапливая сначала фундамент дома, потом комнаты, грозя затопить второй этаж, математический аппарат квантовой механики постепенно выходит за пределы атомных расстояний, успешно осваивая всё большие масштабы.
Таким образом, мы подходим к следующему способу осмысления этой проблемы. Мы с вами, наши компьютеры, бактерии и вирусы и всё материальное на этом свете состоит из атомов и молекул, которые сами сложены из частиц типа электронов и кварков. Уравнение Шрёдингера выполняется для электронов и кварков, и есть все основания считать, что оно верно и для более сложноустроенных тел, независимо от общего числа составляющих их частиц. Это означает, что уравнение Шрёдингера будет продолжать быть верным и при измерении. Помимо всего прочего, измерение — это всего лишь какой-то набор частиц (человек, прибор, компьютер…), вступающий в контакт с другим набором (измеряемая частица или частицы). В этом случае, если математическая сторона уравнения Шрёдингера остаётся при этом непротиворечивой, рассуждения Бора наталкиваются на проблему. Уравнение Шрёдингера не позволяет волнам схлопнуться. Таким образом, существенный элемент копенгагенской интерпретации оказывается под сомнением.
Итак, третий вопрос таков: если проведённые выше рассуждения верны и волны вероятности не схлопываются, то как перейти от совокупности возможных результатов до проведения измерения к единственному результату после измерения? Или, если сформулировать вопрос более широко, что происходит с волной вероятности во время измерения, что позволяет проявиться привычной, определённой и единственной реальности?
Эверетт изучил этот вопрос в своей принстонской докторской диссертации и пришёл к неожиданному выводу.
Линейность и неудовлетворённость
Чтобы понять, как Эверетт пришёл к своему открытию, следует иметь чуть большее представление об уравнении Шрёдингера. Я уже подчёркивал, что уравнение не позволяет волнам вероятности внезапно схлопываться. Но почему? И что оно позволяет? Давайте попробуем понять, как уравнение Шрёдингера управляет волной вероятности по мере её распространения во времени.
Это совсем несложно, потому что уравнение Шрёдингера относится к одному из самых простых классов математических уравнений, характеризующихся свойством линейности — математическим олицетворением того, что целое есть сумма своих частей. Чтобы понять, что это значит, представим, что график на рис. 8.7а — это некоторая волна вероятности электрона ровно в полдень (для большей наглядности я буду использовать волну вероятности, зависящую от положения на прямой, изображённой горизонтальной линией, однако это не умаляет общности обсуждаемых идей). С помощью уравнения Шрёдингера можно следить за распространением этой волны вперёд во времени и узнать, какова будет её форма, скажем, в час дня (рис. 8.7б. Теперь отметим следующее. Как показано на рис. 8.8а, исходную форму волны можно разложить на два более простых кусочка; если объединить две волны на рисунке, складывая их значения точка за точкой, можно восстановить исходную форму волны. Линейность уравнения Шрёдингера означает, что его можно применять отдельно для каждого кусочка на рис. 8.8а, определяя вид каждого фрагмента волны в час дня, и затем, объединяя результаты, согласно рис. 8.8б, можно будет получить полный ответ, показанный на рис. 8.7б. В разложении на два фрагмента нет ничего сакрального; исходную волну можно разложить на любое число составляющих, рассмотреть каждую отдельно, затем объединить полученные результаты для получения окончательной формы волны.
Рис. 8.7.а) Изначальная форма волны вероятности эволюционирует согласно уравнению Шрёдингера, переходя в другую форму (б) в последующий момент времени
Рис. 8.8.а) Исходную волну вероятности можно разложить в набор из двух волн с более простыми формами; б) Распространение исходной волны вероятности можно воспроизвести, если отдельно рассмотреть эволюцию более простых волн и затем объединить полученные результаты
Это может выглядеть как технический нюанс, но линейность является невероятно мощным математическим свойством. Она позволяет претворять в жизнь крайне важную стратегию «разделяй и властвуй». Если исходная форма волны сложна, её легко можно разделить на более простые фрагменты и проанализировать каждый по отдельности. В итоге все полученные результаты складываются вместе. На самом деле, при анализе эксперимента с двойной щелью (рис. 8.4) мы уже встречались с одним важным применением линейности. Задача определения распространения волны вероятности электрона была разбита на несколько этапов: сперва мы заметили, как фрагмент волны проходит сквозь левую щель, затем сквозь правую щель, после чего мы сложили две получившиеся волны. Именно так мы обнаружили знаменитую интерференционную картину. Посмотрев на исписанную формулами доску в кабинете у специалиста по квантовой физике, вы узнаете именно этот подход.
Однако линейность не только контролирует квантовые вычисления; она также порождает трудности теории при объяснении того, что происходит во время измерения. Лучше всего это можно понять, применяя линейность к самому акту измерения.
Представьте, что теперь вы экспериментатор и с большой ностальгией вспоминаете ваше детство в Нью-Йорке, поэтому, занимаясь измерением положений электронов, вы впрыскиваете их в миниатюрную настольную модель города. Вы начинаете эксперимент с одного электрона, волна вероятности которого имеет особенно простую форму — в виде прекрасного пика, как на рис. 8.9, что указывает на почти 100-процентную вероятность, что в данный момент электрон находится на углу тридцать четвёртой улицы и Бродвея. (Не беспокойтесь о том, как у электрона оказалась именно такая форма волны вероятности, воспринимайте её так, как есть. [47] ) Если как раз в этот момент вы измеряете положение электрона с помощью очень хорошего детектора, то полученный результат будет очень точным, и на мониторе детектора должно появиться «Угол тридцать четвёртой улицы и Бродвея». Действительно, если провести такой эксперимент, то результат будет именно таким (рис. 8.9).
47
Ради простоты мы не будем рассматривать положение электрона в вертикальном направлении, а целиком сосредоточимся на его положении на карте Манхэттена. Позвольте ещё раз подчеркнуть, что хотя из рассуждений этого раздела станет ясно, что уравнение Шрёдингера не позволяет волне мгновенно схлопнуться, как на рис. 8.6, тем не менее, экспериментатор может аккуратно придать волне пикообразную форму (или, более точно, очень близкую к ней форму).
Рис. 8.9. Волна вероятности электрона в определённый момент имеет пик на углу Тридцать четвёртой улицы и Бродвея. Измерение положения электрона в тот момент подтверждает, что электрон находится там, где у волны имеется пик
Я думаю, будет очень сложно разобраться в том, как уравнение Шрёдингера вплетает волну вероятности этого электрона в волну вероятности около триллиона триллионов атомов, из которых состоит детектор, побуждая всю эту гигантскую совокупность каким-то образом организоваться и выдать на монитор «Угол тридцать четвёртой улицы и Бродвея», и кто бы не построил этот детектор, он задал нам трудную задачку. Детектор устроен так, что при взаимодействии с таким электроном на мониторе появляется сообщение о единственном определённом положении, в котором в данный момент времени находится электрон. Если бы в такой ситуации детектор выдал что-нибудь другое, то его следовало бы заменить на новый, работающий как положено. Конечно, на пересечении Тридцать четвёртой улицы и Бродвея нет ничего особенного, ну кроме разве магазина «Macy’s»; если провести такой же эксперимент с волной вероятности электрона, имеющей пик в планетарии Хейден рядом с восемьдесят первой улицей и Сентрал Парк Вест авеню или в офисе Билла Клинтона на 125-й улице рядом с Ленокс авеню, монитор детектора отобразит названия именно этих мест.
Теперь давайте рассмотрим чуть более сложный профиль волны (рис. 8.10). Эта волна вероятности указывает на то, что в данный момент времени есть два места возможного нахождения электрона — Земляничные поля (мемориал Джона Леннона в Центральном парке) и мемориал Гранта в Риверсайд парке. (Сегодня у электрона мрачное настроение.) Если мы измеряем положение электрона, но не следуем Бору и, придерживаясь наиболее точных экспериментов, предполагаем, что уравнение Шрёдингера продолжает быть применимым — к электрону и частицам, из которых состоит детектор, вообще ко всему, — то что тогда возникнет на мониторе детектора? Ключ к ответу в линейности. Нам известно, что происходит при измерении отдельных волн с одним пиком. Уравнение Шрёдингера заставляет монитор детектора сообщить нам положение пика (рис. 8.9). Тогда из линейности следует, что для нахождения ответа для волны с двумя пиками следует объединить результаты измерений каждого пика в отдельности.