В попытках объяснить квантовые явления физики придумали множество теорий. Например, что мы живём в одном из бесчисленных миров, которые и сами распадаются на бесчисленные миры. Звучит как ненаучная фантастика? Но в основе-то лежат серьёзные рассуждения великих умов ХХ века! Как же они дошли до этой идеи?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №1(41). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Научный метод познания и классическая физика в частности привели человечество к идее детерминизма, вершиной которого стал демон Лапласа. Один из умнейших людей в истории, француз Пьер-Симон Лаплас предположил: если бы какое-то разумное существо узнало положение и скорость всех частиц в мире, оно могло бы точно предсказать все события во Вселенной. Ведь эти изменения происходят по известным законам — осталось лишь определить начальные условия системы.

Здесь необходимо сделать уточнение, роль которого станет ясна чуть позже. Истина, как считали титаны науки той поры, есть категория объективная, не зависящая от личных качеств и пристрастий наблюдателя. Например, если измерять период колебаний одного и того же маятника при схожих условиях, это время будет одинаковым независимо от того, находятся ли наблюдатели в Алматы, Стамбуле или Чикаго (указанные города расположены приблизительно на одной широте).

То же самое должно происходить и в других экспериментах. В дальнейшем, однако, именно этот тезис физики поставят под сомнение. А чтобы понять почему, нам придётся воспроизвести цепочку проблем, с которыми столкнулись исследователи.

Началось всё с попытки понять природу света. Ньютон полагал, что свет состоит из крошечных частиц (корпускул). Это объясняло, почему он распространяется по прямым траекториям и отражается от поверхностей. Но не объясняло, почему зелёные лучи преломляются сильнее красных. И почему два луча пересекаются без каких-либо изменений, ведь частицы должны сталкиваться — так ведь?

Альтернативой стала волновая теория света — в её пользу говорили результаты опыта, проведённого англичанином Томасом Юнгом в самом начале XIX века. На пути луча он поставил перегородку с двумя узкими щелями шириной 0,0005 мм (отсюда классический ­2‑щелевой эксперимент) и получил ожидаемую интерференционную картинку с максимумом как раз между этими щелями.

Теперь перенесёмся на столетие позже. К этому моменту физики уже открыли атомы и электроны, которые явно представляли собой частицы. Джордж Томсон, Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер провели опыт, аналогичный юнговскому, но только с электронами: пучок последних они направили на детектор сквозь кристаллическую решётку (аналог щели у Юнга). К удивлению физиков, результатом рассеяния электронов стала дифракционная картина, характерная для взаимодействия волн, но никак не частиц! Это разрушило представление об электроне как об отрицательно заряженном миниатюрном шарике. Более того, получалось, что все объекты микромира ведут себя скорее как волны, чем как частицы. Учёные из мира строгой и понятной физики ступили в зыбкое пространство, населённое фантомами и химерами.

Спасти науку вызвался выдающийся австрийский физик-теоретик Эрвин Шрёдингер, предложив использовать волновые уравнения для описания объектов квантового мира. Представляете, как расходятся волны от брошенного в воду камня? Так вот, уравнение Шрёдингера описывает распространение волны вероятности нахождения частицы в заданной точке пространства. Чем выше гребень волны, тем вероятнее, что в этом месте окажется частица.

Приведём уравнение Шрёдингера. Греческой буквой ψ (пси) в нём обозначена волновая функция распределения вероятности:

Для понимания этого уравнения требуются фундаментальные математические знания, но нам достаточно уяснить две вещи: во-первых, вероятность ведёт себя как волна. Во-вторых, уравнение позволяет рассчитать вероятность того или иного состояния, в котором находится микросистема.

Чтобы показать фундаментальность этой идеи, укажем её ключевое отличие от всех предшествующих.

В классической механике для описания системы нужно знать два параметра: положение и скорость объекта. Квантовая же механика предлагает взамен волновую функцию, которая с некоторой вероятностью определяет местоположение объекта в пространстве, но не указывает его точно.

Вероятностный подход к описанию поведения малых объектов (так называемая копенгагенская интерпретация, выдвинутая Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом) глубоко возмущал Альберта Эйнштейна. «Бог не играет в кости!» — в полемическом пылу восклицал автор теории относительности. Масла в огонь подлил ещё один безумный тезис копенгагенцев: в микромире наблюдатель — полноправный участник акта измерения, напрямую влияющий на состояние системы! Якобы волновая функция, представляющая собой некое облако вероятностей, в момент наблюдения коллапсирует, и наблюдатель фиксирует конкретное положение частицы. Это уже ни в какие ворота не лезло. Помните разговор о наблюдателе в начале статьи?

Самому Шрёдингеру эта идея казалась безумной, и чтобы опровергнуть её, он предложил свой знаменитый эксперимент с котом. Приведём рассуждения ­физика:

Эйнштейна больше всего задело крушение классического детерминизма: в микромире неопределённость понималась не как следствие несовершенства приборов или методов измерения, а как принцип, встроенный в саму структуру вещества. К каким бы ухищрениям ни прибегал исследователь, ему не преодолеть определённый порог точности! А раз так, то и однозначного решения уравнений, описывающих поведение объектов, не существует: кот может быть жив и мёртв одновременно, и оба его состояния совершенно равноправны. Эйнштейн до последних дней был убеждён в «неполноценности» квантовой механики, считая, что неопределённость — лишь следствие её логической и математической незавершённости.

Пожалуй, наиболее значи­мая попытка избавить фи­зику от проклятия неопределённости была предпринята Хью Эвереттом в 1957 году — и символично совпала с началом космической эры. Конечно, до научного изящества, например, теории Максвелла или специальной теории относительности ей далеко, но в определённом смысле парадокс Шрёдингера был разрешён.

Хью Эверетт

С чего же начал Эверетт? С увлечения точными науками — оно было столь сильным, что в 12‑летнем возрасте Хью осмелился написать самому Эйнштейну. В послании мальчик поделился идеями по поводу забавной теоретической модели: что произойдёт при попадании сверхсокрушающего пушечного ядра в нерушимый суперстолб? Великий учёный, отметив остроту ума и нестандартность мышления корреспондента, настоятельно советовал ему поступать в один из ведущих университетов, а потом заниматься фундаментальными вопросами. Эверетт прислушался к мэтру. Его alma mater стал Принстон, а научным руководителем — знаменитый Джон Уилер, блестящий физик-теоретик и не менее успешный наставник, вырастивший целое созвездие выдающихся учёных, среди которых два нобелевских лауреата: Ричард Фейнман и Кип Торн.

Джон Уилер

Впечатляют имена и других преподавателей Эверетта. Так, квантовую механику он изучал под руководством Роберта Дикке, а математическую физику — у Юджина Вигнера, будущего нобелевского лауреата.

Такие учёные подбирают себе студентов соответствующего уровня, но и на их фоне Хью выделялся широтой кругозора и острым парадоксальным умом. Как вспоминал позже сам Эверетт, вечера проходили в яростных спорах о животрепещущих проблемах теоретической физики, и ему далеко не всегда удавалось убедить оппонентов в своей правоте.

Остальное время Хью тратил на чтение научной фантастики и написание научных работ, в которых пытался средствами математического аппарата квантовой механики избавиться от «проклятия наблюдателя».

Весной 1959 года Джон Уилер отправился в Копенгаген на встречу с Нильсом Бором. В число его спутников вошёл и Эверетт, успевший к тому времени опубликовать несколько работ по квантовой механике. Поездка в Данию стала роковой: Бор, неоднократно видевшийся и беседовавший с Эвереттом в Принстоне, крайне резко отнёсся к его идее — концепции универсальной волновой функции, не испытывающей коллапс (подробно мы рассмотрим её чуть дальше). В частной беседе Бор позже отозвался об Эверетте как о ­«неописуемом тупице, не понимающем элемен­тарных вещей в квантовой механике». По мнению Эверетта, беседа с Бором с самого начала была «полной безнадёгой». Больше Хью Эверетт III к проблемам квантовой ­физики не обращался…

Нильс Бор

Что же так возмутило выдающегося датского теоретика? Пожалуй, в первую очередь то, что ему самому не хватило научной смелости интерпретировать собственную теорию настолько широко, как она того заслуживала. Подвели приверженность классическим представлениям о независимости объекта измерения и наблюдателя и стремление объяснить механику квантового мира макроскопическими параметрами. Другими словами, Бор и его сторонники проводили чёткую границу между микро- и макромиром.

Работа Эверетта, к великому сожалению, не вызвала почти никакого отклика в научном сообществе. Учёные мужи сочли интерпретацию Эверетта всего лишь забавным логическим трюком, не имеющим под собой серьёзной физической основы. Реакция коллег так расстроила молодого исследователя, что он забросил занятия теоретической физикой и предпочёл сосредоточиться на прикладной математике. Многочисленные попытки вернуть Хью Эверетта на прежнюю стезю провалились, в связи с чем много лет спустя Джон Уилер с горечью скажет: «Я бы очень хотел продолжить общение с ним. Поставленные им вопросы крайне важны». Но выдающегося учёного, едва не совершившего революцию в физике, — Хью Эверетта III к тому времени уже не было в живых. Хотя кто знает: может, в другой Вселенной Хью затмил Эйнштейна и Бора вместе взятых и жив до сих пор, ежедневно выгуливая кота по прозвищу Шрёдингер?

Напомним: уравнение Шрёдингера описывает изменение волновой функции во времени, а появление «копенгагенского наблюдателя» приводит к её коллапсу, в результате чего наблюдатель узнаёт положение частицы. То есть до момента наблюдения система находится в суперпозиции всех состояний. На примере кота Шрёдингера это означает, что кот и мёртв и жив до коллапса его волновой функции — до момента, когда наблюдатель откроет коробку.

Что же предложил Эверетт? Для сохранения корректности волновой функции нужно рассматривать не микросистему, а систему «микрообъект — наблюдатель», в которой не только частица ведёт себя согласно волновому уравнению, но и экспериментатор! Только в этом случае мы получаем нормальное объяснение тому странному обстоятельству, что из мириад равноправных и почти равновероятных состояний реализуется одно-единственное, которое и фиксируют наши приборы.

Из этого довольно смелого предположения, не противоречащего, впрочем, фундаментальным закономерностям квантовой механики, следует парадоксальный вывод, до сих пор не признанный многими физиками старой школы: вероятностная волна захлёстывает не только микрообъекты, но и нас с вами! Это значит, что миллиардам возможных состояний электрона, пролетевшего сквозь дифракционную щель, соответствуют миллиарды (!) наблюдателей, каждый из которых способен зафиксировать единственное конкретное состояние.

Таким образом, каждый акт взаимодействия микрообъектов и экспериментатора порождает множество параллельных веток событий, подчиняющихся универсальной волновой функции. Подход Эверетта позволил избежать волнового коллапса и сохранить гладкость вероятностной волны без привлечения логических костылей — допущений, оставаясь при этом полностью в рамках математического аппарата квантовой механики.

Получается, что Вселенная — вовсе не гигантский бассейн, заполненный ­пространственно-временным «киселём», в котором барахтается всё сущее, а бесконечный резервуар своеобразной пены (подобной квантовой пене из крошечных чёрных дыр, придуманной Джоном Уилером), каждый пузырёк которой — своя ветка событий, независимая и недоступная для соседей.