Квантовый монизм спасет душу физики

«Наиболее необъяснимое во Вселенной то, что он понятен», — сказал как-то Альберт Эйнштейн. Сегодня, однако, ученые далеки от консенсуса, понятна ли Вселенная, а даже он хотя бы уникален. Фундаментальная физика натолкнулась на кризис, связанный с двумя популярными концепциями — Мультивселенной и «гадкой Вселенной».

Сторонники теории мультивселенной отстаивают точку зрения о том, что существует огромное количество параллельных миров, в которых может быть разное количество пространственных измерений и различные законы физики. Отсюда даже вытекает идея, что и вы, и я, и все могут существовать в безграничном количестве копий. «Мультивселенная может быть самой опасной идеей в науке», — утверждает космолог из Южной Африки Джордж Эллис.

Начиная с ранних дней науки, если ученые вдруг обнаруживали какое-то странное совпадение, то начинали искать его причины. Например, законы физики, как выглядит, точно настроены так, чтобы могли существовать разумные существа, способные открывать эти самые законы. Такое совпадение требует объяснения.

Концепция мультивселенной, по-видимому, проливает свет на эту проблему. Каким бы невероятным ни казалось это совпадение, оно должно было бы где-то существовать. И если это так и эти законы поддерживают появление сложных структур, жизни и сознания, то нас не должно удивлять, что мы родились именно в той вселенной, которая позволяет нам существовать. Но из этого «антропного принципа» следует то, что мы не можем ничего предвидеть. Ведь нет ни одного фундаментального закона, который бы можно было открыть, кроме случайных и хаотических свойств бесконечных миров. У физиков, ищущих новые частицы в CERN, не было бы ни одного руководящего принципа.

Достаточно отличительной, но все-таки не меньшим вызовом, является концепция «гадкой Вселенной». По мнению физика-теоретика Сабины Госсенфельдер, современную физику свело на пути ее стремления везде видеть «красоту», что обусловило появление многих математически элегантных, но спекулятивных фантазий без никакой связи с экспериментальными данными. По ее словам, «физика заблудилась в математике». Но в таком случае то, что физики называют «красотой», являются структурами и симметриями. Если мы больше не можем опираться на такие концепции, то и различие между пониманием и обычным соответствием эксперимента также становится размытой.

Оба вызова имеют определенное оправдание. «Почему законы природы должны заниматься тем, что я воспринимаю как прекрасное?» — справедливо спрашивает Госсенфельдер. Ответ: «Они не должны!» Конечно, природа может быть сложной, хаотичной и непонятной — если бы она была классической. Но она такой не является. Она является квантово-механической. И если классическая физика — это наука нашей ежедневной жизни, в которой вещи существуют как отдельные разрозненные объекты, то квантовая механика основывается на совсем других постулатах. Состояние вашей машины, например, не связан с цветом платья вашей жены. В квантовой теории все наоборот. Вещи, которые когда-то побывали в случайном контакте, остаются связанными, что Эйнштейн назвал «жуткой действием на расстоянии». Такие корреляции образуют структуры, а структуры одновременно является красотой.

Зато мультивселенная, кажется, трудно оспорить. Квантовая механика как будто влюблена в него. Если выстреливать отдельными электронами на экран с двумя щелями, то можно увидеть интерференционный рисунок на детекторе позади экрана. Выглядит так, как будто каждый электрон прошел сквозь две щели одновременно.

Квантовая физика — это наука в основе ядерных взрывов, столкновения элементарных частиц. Она также прославилась благодаря бедному коту Шредингера, который застрял в пограничном состоянии между жизнью и смертью. В квантовой механике разные реальности, такие как «частица там-частица здесь» или «живой кот-мертвый кот», накладываются друг на друга, как волны на поверхности озера. Это называется «суперпозицией», которая предопределяет появление интерференционных рисунков у частиц или волн.

Хотя квантовая механика возникла для описания микроскопического мира, в последние годы появляются подтверждения, что она руководит и крупными объектами — если те достаточно изолированы от своей среды. Как-то, однако, наша ежедневная жизнь выглядит защищенной от квантовых эффектов. Никто никогда не видел живого и мертвого одновременно кота, а если измерить положение частицы, то можно получить четко определенный результат.

Прямая попытка объяснить это состоит в том, что все возможные функции реализуются в параллельных мирах или «разветвлениях Эверетта», названных в честь Хью Эверетта, который первым обосновал идею, известную как «интерпретация многих миров». Эта интерпретация на самом деле является лишь одним из четырех вариантов гипотезы мультивселенной, которые описаны в статье Макса Тегмарка в Scientific American в мае 2003 года. Два других не столь интересны, ведь одна из них заключается в том, что «мультивселенная» — это только различные регионы нашей Вселенной, а другая основывается на спекулятивной идее, что материя — это математика. Третья (к которой мы вернемся позже) предполагает, что мультивселенная — это «ландшафт теории струн».

То есть если обратиться к квантовой механике, может сложиться впечатление, что ради красоты теории принесли в жертву единственности Вселенной. Но такой вывод следует разве с поверхностного взгляда. Зато вне поля зрения обычно остается то, что мультивселенная Эверетта не является фундаментальным. Он лишь видимый или «эмерджентный», как его назвал философ Дэвид Уоллес из Университета Южной Калифорнии.

Чтобы оценить этот взгляд, следует обратиться к принципу, который лежит в основе как «квантовых измерений», так и «жуткого действия на расстоянии». Этот принцип известен как «запутанность», и его обосновал в 1935 году Альберт Эйнштейн совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном. Согласно этому принципу, система из двух запутанных спинов, добавляемых к нулю, может быть образована из суперпозиции пары спинов с противоположными направлениями, тогда как направление, в котором указывают отдельные спины, остается совершенно не обусловленным. Запутанность — это способ интегрировать пары в целое, в котором индивидуальные свойства элементов системы перестают существовать ради тесно связанного целого.

Когда квантовую систему измеряют, то есть сочетают со своей средой, запутанность играет ключевую роль. Квантовая система, наблюдатель и остальная часть Вселенной становятся запутанными между собой. С точки зрения местного наблюдателя, информация рассеивается в неизвестном среде. Здесь в дело вмешивается процесс, называемый декогеренцией, который был впервые открыт Дитером Цехом в 1970 году. Декогеренція — это вмешательство классичности: она описывает потерю квантовых свойств, когда система взаимодействует с окружающей средой. Это чем-то напоминает открывание замка-молнии между различными параллельными квантовыми реальностями. С позиции наблюдателя, Вселенная вдруг расщепляется на отдельные Евереттовые разветвления. То есть наблюдатель видит либо живого, либо мертвого кота, и ничего между ними. Мир для него выглядит классическим, но в перспективе он и дальше остается квантовым. Собственно, с этой точки зрения вся Вселенная является квантовым объектом.

Именно здесь на авансцену и выходит «квантовый монизм», сторонником которого, в частности, является философ из Ратгерского университета Джонатан Шеффер. Шеффер размышлял над вопросом, из чего образован Вселенная. Согласно квантовому монизму, в его основе — не сумма частиц или струн, а единственное запутанное квантовое состояние.

Похожие мысли высказывали и ранее — например, физик и философ Карл Фридрих фон Вайцзеккер. Если квантовую механику рассматривать серьезно, то из нее вытекает единственная и уникальная квантовая реальность, которая лежит в основе Вселенной. Однородность и небольшие колебания температуры космического микроволнового излучения, которые указывают на то, что весь наблюдаемый Вселенную можно свести к единому квантового состояния, которое обычно связывают с квантовым полем в основе первоначальной инфляции, подтверждают этот взгляд.

Этот вывод распространяется также и на другие концепции мультивселенной — например, на идею, согласно которой в разных долинах «ландшафта теории струн» или «детских мирах», которые постоянно возникают в космической инфляции, словно пузыри, действуют разные законы физики. Поскольку запутанность является универсальной, она не заканчивается на границах нашего клочка космоса. Какую бы вы ни взяли концепцию мультивселенной, из теории квантового монизма следует то, что они все являются частями единого целого. Всегда есть фундаментальный слой реальности, который лежит в основе многих миров внутри мультивселенной, и этот слой является единым.

Как квантовый монизм, так и теория многих миров Эверетта вытекают из квантовой механики, если ее трактовать серьезно. Отличает же эти взгляды разве перспектива. Что с перспективы местного наблюдателя может выглядеть как много миров, в глобальных масштабах на самом деле является лишь одним уникальным Вселенной (например, для гипотетического наблюдателя, который мог бы смотреть извне на всю Вселенную). (Можно утверждать, что к пониманию такого строения Вселенной пришел еще Святой Августин (354−430), который опирался на учение неоплатоников об эманации уровней бытия из первоосновы, называемой «Единственное». Пытаясь примирить свободу воли и всеведение Бога, Августин считал, что каждый раз, когда мы делаем выбор, из множества вариантов развития ситуации перед нами встает лишь один, однако все они существуют в вечности, в сознании Бога. Это напоминает современные представления о декогеренции, ответвлении Эверетта и мультивселенной, — прим. перекл.).

Другими словами, «много миров» — это лишь то, как квантовый монизм выглядел бы для наблюдателя, который имеет ограниченную информацию о Вселенной. Собственно, оригинальная мотивация Эверетта заключалась в описании всей Вселенной с точки зрения «универсальной волновой функции». Это напоминает взгляд сквозь сегментированное окно: природа выглядит разделенной на отдельные части, но это только с нашей перспективы.

Как монизма, так и концепции многих миров можно избежать, но если кому-то удастся изменить формализм квантовой механики — обычно в способы, которые не конфликтуют со специальной теорией относительности Эйнштейна, — или понять квантовую механику не как теорию о природе, а как теорию знания, что является скорее гуманитарной концепцией, чем наукой.

Как выглядит, квантовый предстоит понять как ключевой концепт в современной физике. Он объясняет, почему «красота», которую понимают как структуру, корреляцию и симметрию среди, на первый взгляд, независимых сфер природы, является не «непродуманным эстетическим идеалом», а следствием происхождения природы из единого квантового состояния. Кроме того, монизм вынимает колючку с мультивселенной, когда он предполагает корреляции, которые случаются не только в специфическом «детском» вселенной, но и в любой ветке мультивселенной — такой, как противоположные направления запутанных спинов в состоянии Эйнштейна-Подольского-Розена.

Наконец, квантовый монизм позволяет сгладить кризис в экспериментальной физике, которая требует все больших колайдеры для изучения все меньших элементов природы — прежде всего потому, что малейшие элементы не являются фундаментальной основой реальности. Во время изучения основ квантовой механики одинаково полезными могут быть как новые сферы в квантовой теории поля, так и крупнейшие структуры в космологии.

Это не означает, что любое наблюдаемое совпадение указывает на основы физики или что любые представления о красоте должны реализовываться в природе — но отсюда следует, что мы не должны переставать их искать. Квантовый монизм как таковой имеет потенциал спасти душу науки — убеждение, что существует единая, узнаваемая и фундаментальная реальность.