Мир в суперпозиции: три теории параллельных вселенных

ХХ век позволил нам заглянуть внутрь самого мироздания. Мы знаем, что состоим из атомов, которые вырвались в космическое пространство из недр сверхновых звезд. Эти мельчайшие частицы химических элементов, состоящие из ядра и электронов, навсегда изменили наше представление о Вселенной и нас самих, а также привели к появлению квантовой механики. Эта область физики чрезвычайно точно описывает взаимодействие элементарных частиц между собой. Но когда мы пытаемся описать нашу повседневную жизнь с помощью квантовой теории, начинаются проблемы. Ведь если одна частица может находиться в двух местах одновременно, то можем ли мы, подобно коту Шредингера, находиться в суперпозиции? И если прямо сейчас я сделаю прыжок вправо, сделает ли прыжок влево другая я в параллельном мире?

Как описать все, что мы видим и делаем, в одном уравнении?

Копенгагенская интерпретация

На сегодняшний день существует три основных теории, способных объяснить устройство Мультиверса: копенгагенская интерпретация, интерпретация «множества миров» или «волновой функции» и «параллельные браны» теории струн. Последнюю мы отложим для следующей статьи и сосредоточимся на двух других объяснениях.

Совокупность всех возможных состояний, в которых может существовать объект, называется суперпозицией, которая состоит из «волновой функции».

Квантовая механика требует гладкой, полностью детерминированной волновой функции — математического выражения, которое передает информацию о частице в виде многочисленных возможностей ее местоположения и характеристик. Но она также требует чего-то, что реализует одну из возможностей и устраняет все остальные.

Узнать жив или мертв кот можно лишь открыть коробку

Копенгагенская интерпретация была разработана в 1920-х годах физиками Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, которые утверждали, что частица не имеет материального существования до тех пор, пока не будет подвергнута измерению (наблюдению). И ведет эта теория прямиком к мысленному эксперименту Шредингера.

Нужно поместить кошку в запечатанную коробку вместе с небольшим количеством радиоактивного материала и счетчиком Гейгера. Если счетчик Гейгера обнаруживает распад радиоактивного материала, то запускает выброс ядовитого газа, который убивает кошку. Но пока коробка запечатана, кот находится в суперпозиции – он одновременно и жив и мертв. Только когда коробка открыта, кот перейдет в то или иное состояние.

Кот Шредингера находится в суперпозиции

Шредингер считал, что подобного не может быть и что квантовая суперпозиция не работает с большими объектами, такими как кошки, потому что организм не может быть одновременно живым и мертвым. Таким образом, он пришел к выводу, что Копенгагенская интерпретация должна быть ошибочной изначально.

Интерпретация множественности миров

Альтернатива Копенгагенской интерпретации была предложена в 1957 году аспирантом Принстонского университета Хью Эвереттом. Он изучал физику под руководством Джона Уилера, который представлял себе структуру Вселенной как бурлящее субатомное царство квантовых флуктуаций.

В своей диссертации, озаглавленной «Теория универсальной волновой функции», Эверетт утверждал, что универсальная волновая функция реальна и не коллапсирует, как в Копенгагенской интерпретации. В этом случае каждый возможный результат квантового измерения реализуется в каком-то «мире» или вселенной, и по этой логике должно существовать очень большое или бесконечное число вселенных.

Волновая функция коллапсирует, допуская существование других миров

Согласно многомировой интерпретации квантовой механики все возможные события на самом деле происходят, но в каждой Вселенной может произойти только один результат. Требуется бесконечное число параллельных Вселенных, чтобы учесть все варианты, но эта интерпретация столь же верна, как и любая другая. Нет никаких экспериментов или наблюдений, которые бы исключали существования других миров.

Интересно, что многомировая интерпретация квантовой физики Эвереттом получила незначительную поддержку со стороны физического сообщества, так что он провел всю свою трудовую жизнь вне академических кругов. Сегодня его имя встречается все чаще, а недавно мы подробно рассказывали о его теории.

Согласно многомировой интерпретации квантовой механики все возможные события на самом деле происходят, но в каждой Вселенной может произойти только один результат. Требуется бесконечное число параллельных Вселенных, чтобы учесть все варианты, но эта интерпретация столь же верна, как и любая другая. Нет никаких экспериментов или наблюдений, которые бы исключали существование других миров.

Стивен Хокинг и теория инфляции

Знаменитый британский физик Стивен Хокинг скончался 14 марта 2018 года, проведя десятилетия прикованным к инвалидному креслу из-за бокового амиотрофического склероза. Заключительная исследовательская работа Хокинга, опубликованная всего за 10 дней до его смерти, была написана совместно с Томасом Хертогом, бельгийским профессором теоретической физики и касалась мультивселенной.

В статье, озаглавленной «Плавный выход из вечной инфляции?» Хокинг и Хертог предположили, что быстрое расширение пространства-времени после Большого взрыва, возможно, происходило неоднократно, создавая множество вселенных.

Стивен Хокинг допускал, что Мультивселенная существует

Теория инфляции предполагает, что до Большого взрыва Вселенная была наполнена энергией, которая была частью самого пространства. Именно эта энергия заставляла пространство расширяться с возрастающей скоростью и привела к Большому взрыву.

Но так как инфляция (как и все остальное) носит квантовый характер, она, должно быть, прекратилась в разное время в разных местах. Это означает, что должны существовать области пространства, в которых заканчивается инфляция и начинается Большой взрыв. Вот только эти области никогда не смогут столкнуться друг с другом, так как разделены раздувающимся пространством.

Выходит, сегодня никто не может ответить на вопрос о существовании Мультивселенной. Но у ученых появляется все больше идей и инструментов, с помощью которых мы можем попытаться понять как устроен мир. Физик Андрей Линде также является сторонником идеи Мультиверса и недавно мы подробно рассматривали его точку зрения, рекомендуем к прочтению.

Источник