«Пока выбор не сделан, всё на свете возможно» («Господин Никто»)
«Есть не один мир, но много, и мы живём в неправильном». (Индеец из «Мира Дикого Запада»)
«Оптимист думает, что это лучший из существующих миров. Пессимист боится, что это правда» (Роберт Оппенгеймер)
«Вся фантастика, которая не нарушает законов физики, — это факт» (Дэвид Дойч)
В наши дни термин «Мультивселенная» можно услышать всё чаще и чаще. К сожалению, большинство людей узнают о нём из кино, которое играет важную роль в популяризации этой идеи, но вместе с тем и дискредитирует её. Проблема в том, что в кино, как правило, альтернативные варианты развития событий и параллельные реальности пересекаются, что противоречит самой идее Мультивёрса, по крайней мере с точки зрения физика. Если между параллельными вселенными есть причинная связь, то они по определению являются одной вселенной. Также создаётся путаница между воображаемыми мирами с другими законами физики, космологической Мультивселенной и параллельными мирами Эверетта. Ну а для эзотериков идея Мультивёрса становится универсальным способом обоснования магии и паранормальных явлений. Например, в «Трансёрфинге» Вадима Зеланда Мультивселенная преподносится как некое «пространство вариантов» с альтернативными «линиями жизни», которые можно выбирать силой мысли. Что же, пора разобраться, насколько все эти представления соответствуют научной теории Мультивёрса.
Мультивселенные в кино, литературе и философии
В деле популяризации Мультивселенной больше всех преуспели кинокомпании Disney и Warner Bros., отвечающие за экранизацию комиксов Marvel и DC. Они тратят миллиарды долларов на проекты о мультивселенных, и зрители охотно смотрят такой контент, принося им сверхприбыли. Например, одна только Marvel Studios в 2022 г. объявила о пятилетней «Мультивёрсной саге», включающей 16 фильмов и несколько сериалов. Данная тема анализируется в статье «Is the Multiverse Where Originality Goes to Die?», опубликованной в ноябре 2022 г. изданием The New Yorker. Там рассматривается позиция критиков, которые считают Мультивселенную удобным приёмом, позволяющим не заморачиваться со сложным сюжетом, не строить причинно-следственные связи и бесконечно возвращать любимых зрителями персонажей. Можно сказать, что мультивселенные – циничная уловка, чтобы выжать деньги из кинозрителей. Это понимают даже сами представители киноиндустрии: Джо Руссо, режиссёр фильма «Мстители: Финал», назвал кино о мультивселенных «принтером для денег», который никогда не выключат.
Но автор статьи, литературный критик Стефани Бёрт, не согласна с таким подходом. По её мнению, мультивселенные открывают возможности для новых оригинальных сюжетов с самыми разнообразными комбинациями героев, допускают интересные повороты в альтернативных мирах и дают шанс пофантазировать, как всё могло бы быть и как к этому прийти. Главное, чтобы мультивселенная была не слишком переполнена параллельными реальностями, иначе каждая из них начинает терять своё значение, и чтобы в финале фильм возвращал зрителя к той временной линии, где находится он сам. В качестве удачного примера использования идеи мультивселенной приводится фильм A24 «Всё везде и сразу», который выиграл «Оскар» в 2023 г. Главная героиня сомневается в своём жизненном выборе и думает о том, что могло бы быть, если бы она сделала другой выбор. Дальше начинается настоящая «жесть», пересказывать которую в данной статье нет никакого смысла. Несмотря на всю абсурдность сюжета и сюрреалистические сцены, этот фильм хорошо доносит подготовленному зрителю идею параллельных миров Эверетта, в которых наши двойники проживают альтернативные жизни.
На мой взгляд, есть ещё два художественных фильма, более-менее адекватно передающих идею Мультивёрса. В фильме «Господин Никто» главный герой – Немо, последний из смертных, просыпается в отдалённом будущем в возрасте 118 лет и пытается вспомнить факты своей биографии. Он рассказывает о своей жизни как о множестве параллельных настоящих жизней, которые он прожил. «Расщепление» начинается с момента, когда Немо, ещё будучи ребёнком, делает выбор, с кем из родителей остаться после их развода.
«В жизни каждого из нас каждый день происходит сотня выборов и не бывает их хороших или плохих. Просто каждый из выборов создает другую жизнь, другой неповторимый мир. Но каждая жизнь заслуживает того, чтобы ее прожить, каждая тропа - чтобы быть пройденной».
«- Какая из всех жизней правильная?
- Каждая из этих жизней правильная. Каждый путь правильный. Всё на свете могло быть другим, но иметь тот же смысл».
В фильме хорошо проиллюстрирован «эффект бабочки», когда незначительные детали в прошлом запускают цепную реакцию и приводят к значительным последствиям в будущем. Это наглядно показывает нам, что разветвление всегда происходит случайно, как и в фильме 1998 г. «Осторожно, двери закрываются!» (Sliding Doors), где жизнь главной героини развивается по двум альтернативным линиям, в одной из которых она успела на поезд лондонского метро, а во второй – опоздала. В зависимости от этого незначительного и случайного события её романтические отношения с партнёром складываются по-разному, и чем дальше во времени, тем больше разница в судьбе двух экземпляров героини в двух параллельных вселенных.
Как отмечает Дэвид Дойч, хорошую научную фантастику писать трудно: она представляет собой вариант настоящей науки, а реальное научное знание очень трудно варьировать. Квантовая теория — это глубочайшее из известных науке объяснений, поэтому передать её смысл на экране или в книге особенно сложно. Тем не менее, писатели-фантасты используют тему Мультивёрса уже давно. Сам термин «Мультивселенная» впервые упоминается в рассказе Майкла Муркока «Разделённые миры», однако параллельные линии времени встречались в литературе и раньше, например, в рассказах «Боком во времени» (Sidewise In Time) Мюррея Лейнстера (1934) и «Создатель звезд» (Star Maker) Олафа Стэплдона (1937). Также известны многочисленные литературные произведения на тему альтернативной истории, где, например, во Второй мировой войне победили Германия и Япония («Человек в высоком замке» Филипа К. Дика, «SS-GB» Лена Дейтона, «Fatherland» Роберта Харриса и «Земная сторона». Денниса Э.Тейлора), или где Римская империя никогда не пала («Roma Eterna» Роберта Сильверберга, «Romanitas» Софии МакДугалл и «Воители Утопии» Лэнса Паркина).
Если же проследить историю Мультивёрса как философской идеи, то мы непременно доберёмся до древнеиндийских трактатов. Концепция множественности миров неоднократно упоминается в индуистских Пуранах, например:
«В бескрайнем пространстве плавает бесчисленное множество яйцеобразных вселенных наподобие нашей, что покрыта слоёной скорлупою стихий, каждая из которых в десять раз толще предыдущей. Но в сравнении с Тобою, безграничным Анантою, они — крошечные былинки». (Бхагавата-Пурана 6.16.37)
Также существование других миров подтверждает буддийская Типитака:
«Монахи, там, докуда вращающиеся луна и солнце освещают своим светом [все] направления, простирается система тысячи миров. В этой системе тысячи миров существуют тысяча лун, тысяча солнц, тысяча царей гор Сумеру, тысяча [континентов] Джамбудипы, тысяча [континентов] Апарагояны, тысяча [континентов] Уттаракуру, тысяча [континентов] Пуббавидехи, тысяча четырёх великих океанов; тысяча Четырёх Великих Царей, тысяча [небесных миров, управляемых] Четырьмя Великими Царями, тысяча [небесных миров] Таватимсы, тысяча [небесных миров] Ямы, тысяча [небесных миров] Туситы, тысяча [небесных миров] дэвов, наслаждающихся творениями, тысяча [небесных миров] дэвов, имеющими власть над творениями других, тысяча миров брахм. И там, монахи, докуда простирается эта система тысячи миров, Маха Брахма считается наивысшим. Но даже в Маха Брахме существуют перемены, существуют изменения. Видя это так, обученный ученик Благородных разочаровывается этим. Будучи разочарованным, он становится бесстрастным к наивысшему, не говоря уже о низшем» (Косала Сутта АН 10:29)
Но не следует понимать это так, что «древние индусы о чём-то догадывались» и уж тем более что их научили квантовой механике какие-нибудь высокоразвитые пришельцы. История философии знает и более экзотические идеи. Просто приведенные цитаты свидетельствуют о том, что гипотеза Мультивёрса не настолько безумна, чтобы до неё никто не додумался задолго до появления многомировой интепретации Эверетта. Например, в 1941 г., за 16 лет до Эверетта, аргентинский писатель Хорхе Луис Борхес опубликовал рассказ под названием «Сад расходящихся тропок». В нём даётся описание одноимённого романа-головоломки, оставленного прадедом главного героя Цюй Пэном:
«Стоит герою любого романа очутиться перед несколькими возможностями, как он выбирает одну из них, отметая остальные; в неразрешимом романе Цюй Пэна он выбирает все разом. Тем самым он творит различные будущие времена, которые в свою очередь множатся и ветвятся».
«"Сад расходящихся тропок" — это недоконченный, но и не искажённый образ мира, каким его видел Цюй Пэн. В отличие от Ньютона и Шопенгауэра ваш предок не верил в единое, абсолютное время. Он верил в бесчисленность временных рядов, в растущую, головокружительную сеть расходящихся, сходящихся и параллельных времен. И эта канва времен, которые сближаются, ветвятся, перекрещиваются или век за веком так и не соприкасаются, заключает в себе все мыслимые возможности. В большинстве этих времен мы с вами не существуем; в каких-то существуете вы, а я — нет; в других есть я, но нет вас; в иных существуем мы оба».
Больше об аналогии между Садом расходящихся тропок, эвереттовской Мультивселенной и работой нейросетей вы можете узнать в моём переводе статьи «Языковые модели – генераторы мультивселенных».
История многомировой интерпретации
В научном контексте идея Мультивселенной была впервые высказана в дебатах Больцмана и Цермело в 1895 г., за пять лет до официальной даты рождения квантовой физики. В 1952 г. Эрвин Шрёдингер прочитал в Дублине лекцию, которая не была ни записана, ни опубликована, и перед которой он предупредил слушателей, что то, что он собирается сказать, может прозвучать как «бред сумасшедшего». В своей лекции учёный предположил, что уравнение, названное в его честь, описывает множество вариантов развития событий, и это «не альтернативы, но все они действительно происходят одновременно». Но всё же автором многомировой интерпретации считается не Шрёдингер, а Хью Эверетт III (третий, потому что его отца и деда тоже звали Хью Эверетт). Идея множественности миров родилась одним прекрасным вечером в 1954 г. «после нескольких глотков хереса», когда Эверетт вместе с однокурсником из Принстона Чарльзом Мизнером и ассистентом Нильса Бора Оге Петерсеном стали обсуждать «нелепости в выводах квантовой механики». В ходе этой дискуссии Эверетт и предложил свою «корреляционную интерпретацию» (под «корреляцией» он подразумевал квантовую запутанность), впоследствии переименованную его научным руководителем Джоном Уилером в интерпретацию относительного состояния (relative state interpretation). Сам Джон Уилер не был сторонником интерпретации Эверетта, хотя ему принадлежат слова: «кажется, невозможно избежать этой формулировки относительного состояния, если кто-то хочет иметь полную математическую модель квантовой механики…».
В 1957 г., через 30 лет после разработки Вернером Гейзенбергом и Нильсом Бором основных постулатов квантовой механики, Хью Эверетт III защитил под руководством Уилера кандидатскую диссертацию под названием «Теория универсальной волновой функции». Её сокращённая версия, «Формулировка квантовой механики через соотнесённые состояния», была опубликована в виде доклада на конференции «Роль гравитации в физике», проходившей в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилле в январе 1957 г. Джон Уилер всячески пытался сформулировать идею так, чтобы донести её до ведущих специалистов по квантовой механике. В 1959 г. он даже настоял на встрече Эверетта с Нильсом Бором, но глава «копенгагенской» школы не принял новую интерпретацию всерьёз. Получив степень доктора философии, Эверетт ушёл из академической науки в оборонный сектор. Он провёл расчёт потенциальной смертности от радиоактивных осадков в ядерной войне и работал военным аналитиком в Группе оценки систем вооружений (WSEG) Пентагона, которая занималась оптимизацией распределения ресурсов (в частности, разрабатывала методы выбора целей для водородных бомб) и структурированием ядерной триады (бомбардировщиков, подводных лодок и баллистических ракет) для максимизации урона противнику при нанесении ядерного удара. В конце 60-х Эверетт стал частным подрядчиком и заработал миллионы на оборонных заказах корпорации Lambda.
Некоторые критики многомировой интерпретации, когда у них заканчиваются физические аргументы, переходят на личности и начинают критиковать самого Эверетта – мол, он был алкоголиком, заядлым курильщиком, гедонистом, эгоистом, атеистом и т.д. Не знаю, какое это имеет отношение к его теории, как и тот факт, что он бросил свою научную карьеру ради работы на Пентагон. Интерпретация Эверетта оставалась практически никому не известной до конца 60-х гг., пока её сторонником не стал физик Брайс Де Витт – один из организаторов конференции в Чапел-Хилле 1957 г., выступавший оппонентом Эверетта. Именно ДеВитт назвал теорию многомировой интерпретацией (ММИ) и сыграл ключевую роль в её популяризации. В 1977 г. ДеВитт и Уилер пригласили Эверетта выступить с презентацией своей теории в Техасском университете в Остине. Он заинтересовал многих молодых физиков, включая Дэвида Дойча, вскоре заложившего основы квантовых вычислений. Затем Уилер попытался познакомить Эверетта с Институтом теоретической физики в Санта-Барбаре (Калифорния), но в 1982 г. 51-летний Хью Эверетт III умер от сердечного приступа. Его сын Марк, впоследствии ставший основателем и фронтмэном группы Eels, вспоминал: «Я понял, что отцовский образ жизни был по-своему ценен. Он ел, пил и курил в свое удовольствие, а однажды просто внезапно и быстро умер. Учитывая, какие еще исходы мне доводилось видеть, жить в свое удовольствие, а потом быстро умереть – не самый плохой вариант». Впрочем, в какой-то ветви волновой функции Хью Эверетт до сих пор жив и занимается квантовой механикой.
Кратко о сути теории Эверетта
Суть идеи Эверетта заключалась в том, что для понимания квантовой механики достаточно математики самой теории, а именно – прямого прочтения уравнения Шрёдингера, описывающего эволюцию волновой функции, без дополнительных постулатов или интерпретационных гипотез. Но само уравнение Шрёдингера не объясняет, почему мы получаем опредёленные результаты при квантовых измерениях, а человеческие языки для этого не приспособлены, поскольку они возникли в то время, когда люди не подозревали о существовании параллельных миров. Чтобы объяснить результаты экспериментов, представители копенгагенской школы ввели т.н. проекционный постулат или постулат о коллапсе, который отличается от всех известных законов физики тем, что он абсолютно случаен и предполагает «жуткое дальнодействие». Коллапс волновой функции является индетерминированным и нелокальным событием, которое невозможно вывести из детерминированных и локальных уравнений квантовой теории. Из-за этого, а также по причине деления реальности на макроскопический и микроскопический миры, Эверетт назвал копенгагенскую интерпретацию «чудовищной в философском отношении».
Хью Эверетт предложил отказаться от коллапса волновой функции и признать одинаково реальными все возможные результаты измерения. В сноске к своей диссертации он написал: «С точки зрения теории, все элементы суперпозиции (все «ветви») «действительны», и ни один из них не является более «реальным», чем остальные». Всё, что действительно необходимо для измерения, — это формирование квантовой запутанности между частицей, измерительным устройством и наблюдателем. Если в копенгагенской интерпретации реально существующим признаётся только наблюдаемое, то в многомировой наоборот: «мир полноценно существует только когда он ненаблюдаем» (Влатко Ведрал). Это позволяет ответить на вопрос, заданный Альбертом Эйнштейном авторам копенгагенской интерпретации: «По-вашему, мышь может переделать мир, просто посмотрев на него?». Не волновая функция Вселенной коллапсирует от взгляда мыши, а мышь расщепляется в результате наблюдения за остальной частью Вселенной, которая остаётся не затронутой и не разделённой. Это очень контринтуитивно и противоречит нашему чувственному опыту, как отметил в своём последнем критическом аргументе Брайс ДеВитт, но Эверетт ему ответил: «А вы ощущаете вращение Земли?».
В статье «Проблема квантового измерения» я уже объяснял, почему ММИ является единственной логически непротиворечивой интерпретацией квантовой механики. Это реалистическая, детерминистская и локальная теория, нарушающая только принцип контрафактической определённости (CFD), согласно которому каждое возможное измерение, даже если оно не было выполнено, дало бы единственный определённый результат. Её альтернативы ведут либо к солипсизму, либо к супердетерминизму, либо к нелокальности. Все эти варианты намного хуже, чем контрфактическая неопределённость и модальный реализм ММИ. Также я рассказывал, почему коллапс волновой функции физически невозможен, и как современная физика решает два основных недостатка ММИ – проблему предпочтительного базиса и проблему вероятности. ММИ разрешает все парадоксы квантовой механики (например, кота Шрёдингера, друга Вигнера, ЭПР-парадокс, «эффект наблюдателя» и корпускулярно-волновой дуализм) и является единственным разумным объяснением бесконтактных измерений Элицура-Вайдмана, контрфактических вычислений и контрпортации, о чём я уже рассказывал в статье «Бесконтактные и слабые измерения».
Тем не менее, сегодня, спустя 60 лет, многомировая интерпретация остаётся довольно спорным вопросом. По данным опроса 2013 г., проведённого среди квантовых физиков, только пятая часть указала, что поддерживает многомировую интерпретацию, в то время как за копенгагенскую интерпретацию проголосовали 42% физиков. И всё же, среди сторонников интерпретации Эверетта есть весьма именитые учёные из области теоретической физики – Дэвид Дойч, Скотт Ааронсон, Шон Кэрролл, Авшалом Элицур и Лев Вайдман, а идею космологической мультивселенной поддерживают Макс Тегмарк, Ли Смолин, Брайан Грин, Алан Гут, Андрей Линде, Митио Каку, Леонард Сасскинд, Александр Виленкин, Нил Тайсон, Джозеф Полчински, Мартин Рис и многие другие. Хуан Малдасена из Института передовых исследований в Принстоне выражает свою позицию так: «Когда я думаю о теории Эверетта с точки зрения квантовой механики, она представляется мне настолько разумной, что я готов поверить в неё. В повседневной жизни я в неё не верю». А Стивен Вайнберг, когда узнал о проводившемся в Стэнфорде опросе, участникам которого предлагали оценить свою уверенность в концепции Мультивселенной, поставив на кон аквариумную рыбку, собаку или собственную жизнь, сказал, что «с радостью поспорил бы на собаку Мартина Риса и жизнь Андрея Линде».
Слабая поддержка ММИ отчасти объясняется тем, что эту теорию не до конца понимают даже специалисты, не говоря уже о людях без технического образования. Тем не менее, многие охотно берутся о ней писать и рассказывать, распространяя искажённые или вообще неверные сведения. В интернете мало доступных объяснений интерпретации Эверетта, но я собираюсь это исправить. Сейчас я по очереди перечислю 15 самых популярных утверждений о Мультивёрсе и покажу, какие из них является правдой, а какие – мифами.
Есть несколько типов мультивселенных
Правда, как бы безумно это ни звучало. Мультивёрс в рамках многомировой интерпретации Эверетта – лишь одна из разновидностей мультивселенной. Он состоит из «параллельных вселенных», в каждой из которых действуют одни и те же законы физики и которым свойственны одни и те же мировые постоянные. Некоторые исследователи предлагают называть его Альтервёрсом, чтобы не было путаницы с инфляционным мультивёрсом. Мы будем использовать для квантовой мультивселенной традиционное название Мультивёрс (с большой буквы), чтобы отделить её от других мультивселенных. Также существуют множество возможных миров из теории струн, множество всех математически возможных миров (Конечный ансамбль по Максу Тегмарку) и множество всех логически возможных миров (модальный реализм Дэвида Льюиса). Эти множества гораздо шире Мультивёрса Эверетта, однако, если использовать многомировую интерпретацию как философскую метатеорию, их тоже можно считать особыми категориями параллельных миров со своими законами физики.
Физик Брайан Грин выделяет целых 9 типов мультивселенных: стёганую, инфляционную, бранную, циклическую, ландшафтную, квантовую, голографическую, симулированную и предельную. Мы будем пользоваться более популярной классификацией Макса Тегмарка, согласно которой существует четыре уровня Мультивёрса: области нашей бесконечной вселенной за пределами её космологического горизонта (I уровень), миры с другими значениями фундаментальных констант (II уровень), параллельные миры Эверетта (III уровень) и миры с другими законами физики (IV уровень). Есть мнение, что многомировая интерпретация согласуется с инфляционной Мультивселенной II уровня – уж больно эвереттовское «расщепление» миров напоминает вечную хаотическую инфляцию. В таком случае миры с другими константами можно рассматривать как очень «далёкие» от нашего параллельные миры, отделившиеся ещё на стадии инфляции. А по мнению Ясунори Номуры, Рафаэля Буссо и Леонарда Сасскинда, глобальное пространство-время, появляющееся в вечно расширяющейся мультивселенной, является избыточной концепцией. Это означает, что мультивселенные уровней I, II и III по сути эквивалентны. Соответствующая гипотеза называется «Мультивселенная = квантовое множество миров».
Классификация мультивселенных по Максу Тегмарку Есть несколько многомировых интерпретаций квантовой механики
Правда. Как однажды заметил Шон Кэрролл, перефразируя известное изречение Ричарда Фейнмана, «квантовую механику не понимает никто, кроме меня». То есть проблема не в том, что её никто не понимает, а в том, что каждый понимает её по-своему и считает своё понимание единственным правильным. Поэтому у каждой популярной интерпретации квантовой механики есть почти столько же разных интерпретаций, сколько физиков её поддерживают. В случае с многомировой интерпретацией можно выделить как минимум пять немного различающихся между собой формулировок: исходная интерпретация относительного состояния Хью Эверетта, каноническая интерпретация многих миров (MWI) Брайса ДеВитта, дополненная теорией декогеренции, интерпретация декогерентных историй Мюррея Гелл-Манна и Джеймса Хартла, а также интерпретация многих взаимодействующих миров Чарльза Сибенса и интерпретация многих умов (MMI) Дэвида Альберта и Барри Лоуэра. Мы будем объяснять многомировую интерпретацию в версии Дэвида Дойча, которую является наиболее продуманной и непротиворечивой. В этой формулировке квантовое измерение сопровождается не расщеплением, а дифференциацией исходно неотличимых миров.
Слева - кот Шрёдингера передаёт Шону Кэрроллу тайные знания о квантовых мирах. Справа - научно-популярное изложение этих знаний Другие миры лежат за гранью нашего понимания и воображения
Миф. Миры с другими физическими законами или константами представить действительно трудно, но параллельные миры Эверетта устроены так же, как и наша вселенная, просто события там развиваются по-другому. Большинство картинок по запросу «Мультивёрс» изображают множество вселенных в виде «пузырей» в космическом пространстве – это больше похоже на инфляционную мультивселенную II уровня. На некоторых визуализациях изображены копии Земли, Солнечной системы или галактики – это ближе к пространственной мультивселенной I уровня. По запросу «интерпретация Эверетта» чаще можно увидеть ветвящиеся деревья вариантов с разными копиями наблюдателя – это уже лучше отображает идею мультивселенной III уровня. Но, учитывая, что Мультивёрс скорее не разветвляется, а дробится внутри себя, его полезнее представлять как фрактал – здесь подойдут разные вариации дерева Пифагора и множества Мандельброта. Только следует помнить, что Мультивёрс бесконечно масштабируется не на плоскости и не в объёме, а в размерностях гильбертова пространства состояний. Но всё же объёмная модель будет лучше любого изображения. Наглядным изображением Мультивёрса является банальный одуванчик: его семянки расходятся во все стороны из центра, а с конца каждой из них в свою очередь расходятся волоски «парашютика», на конце каждого из которых можно вообразить ещё одну «летучку», и так до бесконечности.
Многомировая интерпретация предполагает существование множества миров
Миф. На самом деле интерпретация Эверетта предполагает один реально существующий мир (Мультивёрс), который описывается универсальной волновой функцией. Однако волновая фунция Вселенной включает в себя все возможные варианты развития событий, которые происходят в относительно автономных частях Мультивёрса – отдельных квазиклассических вселенных (синглвёрсах). При каждом квантовом измерении мир «расщепляется» на множество веток, каждой из которых соответствует своё значение измеряемой величины и, что самое главное, своя версия наблюдателя, осуществляющего измерение. «Мир» – это полная история взаимодействий до и во время рассматриваемого измерения, когда происходит расщепление. Каждый из этих «миров» описывает разные состояния универсальной волновой функции и не может причинно взаимодействовать с другими. Коллапса волновой функции в то или иное состояние не происходит, а скорее наблюдатель оказывается в мире, где он получил определённый результат измерения, и не подозревает об альтернативных возможностях, которые столь же реальны.
Вот как описывает Мультивёрс сам Эверетт в своей диссертации: «Таким образом, с каждым последующим наблюдением (или взаимодействием), наблюдатель «ветвится» во множество различных состояний. Каждая ветвь представляет собой иной результат измерения и соответствующего собственного состояния системы объекта. Все ветви существуют одновременно в суперпозиции после любой данной последовательности наблюдений».
В примечании к этому абзацу Эверетт отвечает на возражения оппонентов против «расщепления» наблюдателя: «Что касается вопроса, составляющего предмет спора – перехода от «возможного» к «действительному» – теория снимает эту озабоченность очень простым способом: такого перехода нет, и при этом он и не нужен для теории в соответствии с нашим опытом. С точки зрения теории все элементы суперпозиции (все «ветви») являются «действительными» ни один не более «реален» чем остальные. Не нужно полагать, что все, кроме одного, так или иначе разрушены, так как все отдельные элементы суперпозиции индивидуально подчиняются волновому уравнению с полным безразличием к присутствию или отсутствию («реальности» или нет) любых других элементов. Это полное отсутствие влияния одной ветви на другую также подразумевает, что никакой наблюдатель никогда не будет знать ни о каком процессе «расщепления»».
Мультивёрс состоит из параллельных вселенных
Миф. «Параллельные» вселенные – ещё один отчасти вводящий в заблуждение термин, придуманный Брайсом ДеВиттом. «Параллельность» предполагает полностью автономное существование этих вселенных в каком-то дополнительном измерении. Но, во-первых, вселенные не идеально автономны, они всё-таки оказывают слабое влияние друг на друга посредством квантовой интерференции. Во-вторых, параллельные миры Эверетта ортогональны нашему миру в бесконечномерном гильбертовом пространстве, но физически они находятся в одном и том же четырёхмерном пространстве-времени и не требуют дополнительных измерений. Точнее, волновая функция Вселенной, состоящей из N частиц, определена в 3N-мерном конфигурационном пространстве, а не в пространстве-времени (3+1) специальной теории относительности. Как пишет физик Алексей Левин, можно предположить, что различные ветви единой волновой функции осциллируют во времени не в фазе и потому друг для друга как бы не существуют. А в-третьих, это не совсем вселенные в популярном представлении, объединяющие всё сущее в некотором объёме пространства. Мультивёрс имеет гораздо более сложную структуру, которая определяется такими свойствами, как неотличимость, запутанность и мера историй. Подробнее мы разберём их в следующих статьях.
Вселенная постоянно расщепляется на части
Правда. Разветвление миров происходит очень часто. Речь идет не об исключительных моментах, когда вы совершаете судьбоносный выбор, или когда происходят другие важные для вас события, или когда учёные проводят в лаборатории эксперимент. Любое взаимодействие между одним квантовым объектом и другим (например, фотоном света, отражающимся от атома) может привести к альтернативным результатам и поэтому требует параллельных вселенных. Как выразился Брайс ДеВитт: «Каждый квантовый переход, происходящий на каждой звезде, в каждой галактике, в каждом отдалённом уголке Вселенной, разделяет наш локальный мир на Земле на мириады копий». На самом низком, «мелкозернистом» уровне, число ветвей волновой функции можно вычислить по формуле W = exp(S/k), где S – энтропия, k – константа Больцмана (около 10-23 Джоуля/Кельвин) и W – количество миров или больцмановских макросостояний. На более высоком, «крупнозернистом» уровне, миров может быть меньше, но их число всё равно растёт вместе с энтропией в соотношении exp(dS/k). Поскольку значение k очень маленькое, при каждом макроскопическом событии отделяется очень много миров.
Шон Кэрролл в книге «Квантовые миры» приводит следующие примеры расщеплений. Когда вы используете квантовый генератор случайных чисел для создания 50-битного числа, Вселенная расщепляется на 250 (1 125 899 906 842 624) миров, в каждом из которых сгенерированное число будет несколько отличаться от других. По этой же логике, когда вы измеряете состояние 100-кубитного квантового компьютера, будет создано 2100 миров, каждый из которых соответствует декогерентной ветви волновой функции с отдельной копией вас как наблюдателя. Но на самом деле это упрощение, поскольку при взаимодействии наблюдатель и кубит совместно развиваются в суперпозицию ортогональных состояний. Это значит, что вам нужно подсчитать не только все возможные исходы для состояния кубита, но и все возможные исходы для состояний всех 1023 атомов своего тела. Следовательно, при измерении вы расщепляетесь на (1023)100 копий. Более того, не нужно даже никаких измерений или принятия решений. В теле человека каждую секунду происходит радиоактивный распад примерно 5000 атомов. Если при каждом распаде волновая функция делится надвое, это означает, что каждую секунду возникает 25000 новых ветвей.
На практике имеет смысл называть измерением только такое взаимодействие, которое нельзя повернуть вспять – декогеренцию. Если запутывание частиц можно «отмотать» назад, распутав две системы, это не считается измерением. Для расщепления миров в процесс должно быть вовлечено множество степеней свободы, т.е. необходимо запутать микроскопический объект с макроскопическим или со средой. Например, фотон попадает на фотоумножитель и выбивает один электрон, который в результате лавинного процесса преобразуется в ток на выходе с детектора. В многомировой интерпретации этот процесс рассматривается как запутывание одного фотона с электронами и другими частями детектора. «Отменить» такое измерение не получится – большая часть запутанных степеней свободы оказываются недоступны. Разумеется, для процесса измерения не обязательно, чтобы наблюдатель был разумным, достаточно необратимости процесса.
Если в двухщелевом эксперименте одна вселенная делится на две, то как быть, когда варианты не равновероятны, или когда распад атомного ядра может произойти или не произойти в любой момент?
Миф. Разветвление миров – это не деление на два, даже если у нас есть только две равновероятные альтернативы, как в двухщелевом эксперименте или в случае с котом Шрёдингера, который или жив, или мёртв. После прохождения через щели у частицы есть множество способов быть зафиксированной на экране. У кота после открытия коробки тоже есть множество способов быть живым, и ещё больше способов быть мёртвым. Поэтому вселенных тоже большое множество, и в процессе измерения или декогеренции это множество делится в определённой пропорции. Волновая функция включает в себя амплитуды вероятностей получить те или иные значения координаты и импульса частицы. Например, если один из вариантов имеет вероятность 50%, другой – 30%, а третий – 20%, то в половине вселенных реализуется первый вариант, в 30% – второй, и в 20% – третий. То есть в Мультивёрсе одни варианты вселенных встречаются чаще, другие – реже. Это называется мерой историй.
"Ветви" волновой функции имеют разную "толщину", соответствующие амплитуде вероятностей различных результатов измерения Вот что пишет о «расщеплении» Макс Тегмарк:
«Представление о том, что в некоторые волшебные моменты реальность испытывает своего рода метафизическое расщепление на две ветви, которые в дальнейшем никогда не взаимодействуют, – это ошибочное изложение диссертации Эверетта. Оно, кроме того, противоречит его постулату о том, что волновая функция никогда не коллапсирует, поскольку дальнейшее развитие может, в принципе, заставить эти ветви интерферировать друг с другом. Согласно Эверетту, была, есть и всегда будет лишь одна волновая функция, и только расчёты декогеренции, а не постулаты, могут показать, когда с хорошим приближением можно рассматривать две ветви как не взаимодействующие».
Количество параллельных вселенных конечно или бесконечно?
Ответ: мы не знаем. Это зависит от числа степеней свободы у самого пространства-времени в теории квантовой гравитации, которая пока ещё не разработана. На сегодняшний день квантовая механика согласована только со специальной теорией относительности, и в квантовой теории поля пространство-время является континуумом. Следовательно, мы должны считать, что вселенных бесконечное множество, пока не доказано обратное. Но в любом случае определение «мира» в многомировой интерпретации произвольно и зависит от выбранного базиса измерения. Как пишет Дэвид Уоллес, «Спрашивать, сколько всего миров – всё равно что интересоваться, сколько впечатлений вы вчера получили или сколько сожалений было у раскаявшегося преступника. В обоих случаях уместно перечислить только самое важное, но вопрос “сколько?” неуместен».
Если бы число вселенных было конечным, то существовали бы настолько маловероятные события, что им не хватило бы места в Мультивёрсе. Но если вселенных бесконечное несчётное множество, в Мультивёрсе происходит всё, что может произойти согласно законам физики. Однако бесконечность вселенных, где произошло маловероятное событие, несравнимо тоньше бесконечности вселенных, где этого не произошло. Аналогично бесконечность натуральных чисел меньше бесконечности континуума. То есть не все бесконечности равны. Для вычисления соотношений между разными версиями вселенных в многомировой интерпретации существует понятие меры. Мера определяется вероятностями реализации того или иного состояния в момент измерения.
Шон Кэрролл в книге «Квантовые миры» делает приблизительные расчёты минимального количества миров. В наблюдаемой Вселенной порядка 1088 элементарных частиц. В основном это реликтовые фотоны и нейтрино, летящие в пустом пространстве, ни с чем не взаимодействуя и не запутываясь. Автор предполагает, что с момента Большого взрыва, который произошёл 1018 секунд назад, каждая частица в среднем ежесекундно участвует в миллионе взаимодействий, при каждом из которых волновая функция делится надвое. Перемножение 1088 × 106 × 1018 даёт 10112 разделений, соответственно общее число ветвей универсальной волновой функции на сегодняшний день равно порядка (1010)112. В одной из своих статей Шон Кэрролл предлагает модель полностью дискретной квантовой механики с конечным числом измерений гильбертова пространства, но проверить её на практике вряд ли возможно.
Количество параллельных вселенных экспоненциально увеличивается
Миф. В любой изолированной области пространства с постоянным количеством материи и энергии число возможных положений и импульсов элементарных частиц ограничено. Если мы представим вселенную как больцмановский контейнер с газом, число возможных состояний молекул этого газа будет огромным, но конечным. И если всё оставить на самотёк, любая комбинация частиц рано или поздно повторится – свершится возвращение Пуанкаре. Нет, не его самого, а сработает его теорема. Хотя и сам Пуанкаре, согласно его теореме, тоже может вернуться. Если бы наша обозримая вселенная была изолированной и стационарной, конечным было бы и количество параллельных вариантов вселенных. Но она ускоренно расширяется, пространство возможных состояний увеличивается, и число отличимых вариантов вселенной растёт. Мы не можем знать, бесконечна ли вселенная за пределами космологического горизонта, но расширяться она потенциально может до бесконечности. Поэтому и число параллельных вселенных изначально должно быть бесконечным. Только вначале, на момент Большого взрыва, они все были неотличимыми, а к моменту тепловой смерти все станут отличимыми.
Многомировая интерпретация описывает ежемоментное рождение новых вселенных. Но откуда на это берётся энергия?
Обычно на вопрос о сохранении энергии сторонники ММИ отвечают так: энергия в процессе ветвления миров сохраняется, потому что каждый мир получает «вес» в соответствии с вероятностью, ассоциированной с этим миром, а энергия всего Мультивёрса остаётся постоянной. Вообще закон сохранения энергии основан на наблюдениях внутри каждого отдельного мира, и он не должен соблюдаться в масштабах Мультивёрса. Но он всё же соблюдается, поскольку в квантовой механике сохранение энергии выражается в терминах средневзвешенных или ожидаемых значений: производная по времени ожидаемой энергии замкнутой системы обращается в нуль. Если распространить это утверждение на весь Мультивёрс, каждый мир будет иметь приблизительную энергию, но энергия полной волновой функции или любого её подмножества включает в себя суммирование по каждому миру с учётом его меры вероятности. Эта взвешенная сумма является постоянной.
Вселенная не дублируется, а расщепляется, поэтому общий "вес" её ветвей сохраняется Другой способ показать, что наблюдаемые величины сохраняются во всей совокупности миров – это сказать, что в момент измерения не образуются новые миры. Все возможные вселенные есть изначально. Все возможные сценарии будущего есть прямо сейчас, в параллельных вселенных. При квантовом измерении происходит «расщепление» наблюдателя и всей окружающей его реальности на множество версий, каждая из которых соответствует своему исходу эксперимента. Но термин «расщепление» не совсем удачный, поскольку это не деление и тем более не умножение. Правильное описание процесса выглядит так: исходное бесконечное множество неотличимых вселенных расходится (дифференцируется) в определённой пропорции на бесконечные множества отличимых вселенных, количество которых определяется числом возможных исходов измерения. Существующие миры дробятся на всё более и более тонкие срезы, если рассматривать плотности вероятности как «толщину» или «меру» ветвей.
Многомировая интерпретация нелокальна
Миф. Нелокальность или «жуткое дальнодействие», которого так боялся Эйнштейн, возникала в первоначальной формулировке копенгагенской интерпретации, допускавшей мгновенный коллапс волновой функции независимо от расстояния между отдельными её частями или запутанными частицами. Многомировая интерпретация избавилась от нелокальности вместе с постулатом о коллапсе волновой функции. Расщепление миров – это локальный процесс, происходящий внутри светового конуса запускающего события, т.е. распространяющийся причинно на световой или субсветовой скорости. Не нужно думать, что в момент измерения одна вселенная волшебным образом превращается в две. Скорее расщепление миров выглядит как сфера декогеренции, расширяющаяся из места измерения со скоростью света и разделяющая миры, подобно змейке-молнии. Грубо говоря, наблюдатель в результате измерения расщепляется практически мгновенно, а галактика Андромеда начнёт расщепляться от этого события только через 2,4 млн лет, когда её достигнут причинно передаваемые эффекты, а закончит расщепляться ещё через 300 тыс. лет.
Вопреки распространённому заблуждению, измерение одной из пары запутанных частиц никак не влияет на состояние второй, находящейся на сколь угодно большом расстоянии. Вследствие измерения наблюдатели (Алиса и Боб) разделяются на относительные состояния (или локальные миры), запутанные каждое со своим состоянием электрона. Но корреляция в результатах измерений Алисы и Боба проявляется только тогда, когда они локально сверяют свои данные и тем самым расщепляют друг друга. С точки зрения многомировой интерпретации, это можно описать как конструктивную интерференцию между мирами с противоположными значениями спина и деструктивную интерференцию между мирами с одинаковыми значениями спина. Проще говоря, квантовая механика определяет, какие из двойников Алисы с какими из двойников Боба могут встретиться в одном мире, а какие – нет. Каждый отдельный мир содержит последовательный набор наблюдателей, их записей и состояний электронов, полностью соответствующий предсказаниям стандартной квантовой теории.
В Мультивёрсе всё уже случалось и снова случится бесконечное число раз
Почти правда. Правильнее было бы сказать, что там есть всё, везде и сразу, как в одноимённом фильме. Потому что в Мультивёрсе нет прошлого и будущего – это просто альтернативные варианты настоящего. Другие времена – всего лишь особый класс параллельных вселенных. Следовательно, любое событие, которое не нарушает законов физики, происходит вечно в каком-то варианте вселенной. Но есть вселенные, где оно и не происходит, или происходят альтернативные события. По словам Макса Тегмарка, «все возможные состояния существуют в каждый момент времени», т.е. всё, что не противоречит законам физики, реализовано (или будет) реализовано в одной из параллельных вселенных.
Если существует всё, везде и сразу, то возможны путешествия во времени и из одной вселенной в другую
Миф. Возможны, но только в фантастических фильмах. В реальном Мультивёрсе обмен веществом, энергией и даже информацией между вселенными исключается, поскольку при наличии такого обмена две вселенных по определению становятся одной целой. Каждая временная шкала – это отдельный мир, и, находясь в одном из них, вы не можете идентифицировать себя ни с какой другой версией «себя», находящейся в другом. Хотя интерференция между мирами никогда не исчезает полностью, она сохраняется только на микроскопических масштабах и на очень коротких промежутках времени, а во всех других отношениях эти миры декогерентны. Путешествия в прошлое или будущее также невозможны, но в принципе ничто не мешает вам оказаться на альтернативной линии времени, события которой никак не влияют на ваше настоящее. Тогда никаких парадоксов вроде убитого дедушки не возникнет.
А что, если существует механизм влияния на параллельные миры без обмена энергией или материей – например, используя слабые квантовые эффекты вроде интерференции? Да, теоретически это возможно в рамках нелинейной формулировки квантовой механики Стивена Вайнберга посредством нелокальных червоточин. Джозеф Полчински назвал такую связь между параллельными вселенными «телефоном Эверетта». Это было бы заманчивым объяснением зарождения в нашей вселенной разума: какая-нибудь высокоразвитая цивилизация из параллельной вселенной «настроила» вероятности случайных квантовых событий так, чтобы в нужный момент вызвать определённые генетические мутации или подстроить падение астероида и тем самым ускорить естественный ход дарвиновской эволюции, приблизив появление человека разумного. В таком случае «телефон Эверетта» служил бы средством колонизации необитаемых миров и экспоненциального распространения жизни на весь Мультивёрс. Однако палеонтологическая летопись планеты Земля свидетельствует о том, что эволюция предковой линии человека в разное время происходила с разной скоростью: периоды быстрого развития вроде кембрийского взрыва или резкого увеличения размеров мозга во время ледникового периода чередовались с «застоями» и даже откатами назад. Если бы эволюция кем-то направлялась в нужное русло, она могла бы проходить гораздо быстрее. То же самое можно сказать и об историческом прогрессе. Поэтому скорее всего, законы физики достаточно линейны, чтобы предотвратить сообщение между эвереттовскими мирами.
В Мультивёрсе существуют очень странные миры
Правда. В Мультивёрсе есть всё, что не противоречит законам физики, даже если это крайне маловероятно. Обычно мы представляем параллельные вселенные похожими на нашу, но такими, где вы являетесь более или менее успешным, ходите на другую работу или освоили другую профессию, живёте в другом месте, находитесь в отношениях с другим человеком, где ваши умершие близкие ещё живы или живые уже умерли, и, в конце концов, где уже умерли и вы сами. Все эти варианты довольно типичны и составляют значительную долю среди всех возможных историй. Но есть и такие вселенные, где происходят очень странные вещи. Они представляют очень небольшую долю вариантов, поэтому вероятность попасть туда крайне мала. Однако в каких-то вселенных вы всё же выигрываете в казино каждый раз, как вступаете в игру, угадываете все результаты спортивных матчей и, подбрасывая монетку 100 раз, при каждом броске получаете орёл. Более того, в некоторых мирах состояния всех атомов вашего тела в нужный момент случайно становятся когерентными, и вы можете квантово туннелировать сквозь стену. Но эти миры слишком маловероятны и декогерентны по отношению к вашему настоящему, чтобы всерьёз принимать возможность в них оказаться. Снова процитируем Макса Тегмарка: «Вещи, несовместимые с законами физики, никогда не произойдут — всё остальное произойдёт... важно следить за статистикой, поскольку даже если где-то происходит всё мыслимое, действительно странные события случаются экспоненциально редко».
Многомировая интерпретация согласуется с идеей «пространства вариантов» Зеланда, магическим миром Кастанеды и другими эзотерическими учениями
Нет, не согласуется. Вся современная «магия» и управление реальностью силой мысли – это квантовый мистицизм, не имеющий к науке никакого отношения. В реальной квантовой физике наблюдатель не влияет на ход эксперимента и уж тем более не выбирает, в какой вселенной оказаться по итогам измерения. Для него всё происходит случайно, хотя вероятность попасть в тот или иной вариант вселенной отчасти детерминирована. Более того, по мнению Шона Кэрролла, принятие решений – классический процесс, определяемый биохимией мозга, поэтому, вопреки популярному представлению, вселенная не расщепляется, когда вы делаете выбор. Чудес (в смысле нарушения законов физики) не бывает, но, как мы показали в предыдущем пункте, есть вселенные, в которых кажется, будто магия сработала, но больше такого не повторится. В каких-то вселенных вы действительно можете выиграть в лотерею или туннелировать сквозь стену. Но эти истории нельзя адекватно объяснить без упоминания о существовании множества проигравших или множества других экземпляров вас и стены. Что лишний раз подтверждает полезность многомировой интерпретации.
Многомировая интерпретация нефальсифицируема и поэтому ненаучна?
Теоретически многомировую интерпретацию можно экспериментально опровергнуть, просто современные технологии этого ещё не позволяют. Теория Эверетта ошибочна, если существует физический процесс коллапса волновой функции Вселенной в одномировое квантовое состояние. Такой процесс предсказывают теории объективной редукции Диози-Пенроуза и Гирарди-Римини-Вебера, но они ещё далеки от экспериментальной проверки. Однако сторонники многомировой интерпретации перекладывают бремя экспериментального доказательства на своих оппонентов, поскольку именно они утверждают, что существует новая физика за пределами хорошо проверенного уравнения Шрёдингера. Что касается верификации расщепления миров, для этого нужно поставить эксперимент, в котором наблюдатель расщепляется, а окружающий мир – нет. Очевидно, потребуется обратимый машинный интеллект.
В 1985 г. Дэвид Дойч предложил вариант мысленного эксперимента под названием «друг Вигнера», в котором копенгагенская и многомировая интерпретации дают разные предсказания. Нужно, чтобы один экспериментатор (друг Вигнера) проводил измерение квантовой системы в полностью изолированной лаборатории, а второй экспериментатор (Вигнер) измерял уже саму лабораторию. Согласно многомировой интерпретации, в результате первого измерения друг Вигнера окажется в макроскопической суперпозиции, увидев в одной ветви реальности один результат, а в другой – другой. Если это так, Вигнер сможет интерферировать эти две ветви и проверить, действительно ли они находились в суперпозиции, или схлопнулись в одну ветвь, как предсказывает копенгагенская интерпретация. Но такой эксперимент требует ввести макроскопический объект (целую лабораторию или хотя бы друга Вигнера) в когерентную суперпозицию, то есть полностью изолировать его от окружающего мира, а это на сегодняшний день нереализуемо.
По некоторым оценкам, поставить такой эксперимент получится уже в середине XXI века. Этот прогноз основан на анализе динамики развития двух технологий: искусственного интеллекта и обратимой наноэлектроники. Во-первых, самосознающий машинный интеллект человеческого уровня может быть коммерчески доступен в 2030-е гг., исходя из оценки вычислительной мощности человеческого мозга в 1017 бит/сек – это легко посчитать, если знать общее количество нейронов (около 1010), среднее количество синапсов на нейрон (около 104) и среднюю скорость срабатывания нейрона (около 103 Гц). Во-вторых, до конца 2020-х гг. ожидается, что энергетическая стоимость логической операции упадёт ниже kТ (константы Больцмана, умноженной на температуру), что будет означать преодоление предела Ландауэра. А если в ходе логической операции термически рассеивается энергии меньше kТ, такая операция является термодинамически обратимой. Скептики говорят, что классический компьютер вообще никогда не преодолеет предел Ландауэра. В таком случае следует ожидать реализации искусственного интеллекта на квантовом компьютере, что потребует гораздо более продвинутых технологий.
Как бы то ни было, имея в распоряжении обратимый искусственный интеллект, можно будет заменить им друга Вигнера и реализовать предложенный Дэвидом Дойчем эксперимент. Машина должна провести три обратимых измерения спина электрона или поляризации фотона: 1) вдоль оси Z, записав полученный результат («вверх» или «вниз») в своей памяти; 2) вдоль оси X, записав результат («влево» или «вправо») в своей памяти и затем обратив измерение вспять, стерев память о нём; 3) снова вдоль оси Z, записав результат в памяти. Согласно копенгагенской интерпретации, второе измерение наблюдателем (машиной) вызовет коллапс волновой функции, а значит, результаты первого и третьего измерений вдоль оси Z совпадут только в 50% случаев. Многомировая интерпретация предсказывает, что в ходе второго измерения машина расщепляется на «левую» и «правую» копии, а затем они снова воссоединяются, поэтому результаты первого и третьего измерений всегда будут совпадать.
Вывод
Итак, в этой вводной статье о Мультивёрсе мы разобрали примеры параллельных вселенных в кино и литературе, а также развеяли популярные мифы, касающиеся многомировой интерпретации Эверетта. Конечно, здесь представлен не полный список мифов о Мультивёрсе. В следующих статьях мы покажем, как работает расщепление миров на примере двухщелевого эксперимента, определим внутреннюю структуру Мультивёрса, объясним основы квантовой концепции времени и выясним, как Мультивселенная соотносится с пантеистическим Богом и Абсолютом мистиков. Также мы проясним, как многомировая интерпретация описывает наше «я», сознание и свободу воли, предполагает ли она квантовое бессмертие и в чём её практическая польза для нашей жизни. Разумеется, по ходу дела мы опровергнем оставшиеся мифы, касающиеся отношения человеческого разума с параллельными вселенными.
