Аспирант, которого не слушали. Квантовая механика

1957 год. Принстон. Молодой физик Хью Эверетт III сдаёт докторскую диссертацию. Научный руководитель - Джон Уилер, один из самых влиятельных физиков-теоретиков эпохи, человек, который позже придумает термин «чёрная дыра».
Уилер к студенту относится хорошо, помогает, редактирует, возит его в Копенгаген - показывать работу самому Нильсу Бору. Бор работу отвергает. Вежливо, но решительно.

Эверетт получает степень, несколько лет пытается продвинуть свои идеи в академической среде, потом уходит в военно-аналитическую компанию, где занимается математическим моделированием ядерных сценариев. Пьёт. Курит. В 1982 году умирает от сердечного приступа в 51 год.
По слухам, завещает выбросить свой прах в мусорное ведро. Дочь впоследствии покончит с собой, написав в предсмертной записке, что отправляется в ту ветку реальности, где жив её отец.

Идея, которую отверг Бор, к тому времени уже начала жить своей жизнью. Сегодня многомировая интерпретация квантовой механики - одна из самых обсуждаемых концепций в фундаментальной физике. Её принимают всерьёз Стивен Хокинг, Стивен Вайнберг, Дэвид Дойч.

Опросы среди физиков-теоретиков показывают: от 30 до 50 процентов считают её как минимум заслуживающей рассмотрения. Это очень много для идеи, которую полвека назад один великий человек объяснил другому великому человеку - и получил в ответ пожатие плечами.

Чтобы понять, что именно придумал Эверетт, нужно сначала понять, что его так раздражало в господствующей картине.
Квантовая механика к середине XX века работала безупречно. Предсказания сходились с экспериментами с точностью, недостижимой ни в одной другой области физики. Инженеры использовали её для создания транзисторов, лазеров, ядерных реакторов. Всё работало.

Была одна неловкость. Теория описывала микромир через волновую функцию - математический объект, который содержал в себе все возможные состояния системы одновременно.
Электрон до измерения находится в суперпозиции: он как бы во всех местах сразу, с разными вероятностями. Потом происходит измерение - и волновая функция «коллапсирует». Электрон оказывается в одном конкретном месте. Остальные возможности исчезают.

Никто не мог объяснить, как именно это происходит. Что такое «измерение»? Когда именно случается коллапс? Почему квантовые правила действуют на электрон, но, судя по всему, не действуют на прибор, который этот электрон измеряет? На кошку в ящике? На человека, который смотрит на прибор?

Нильс Бор с коллегами выработали прагматичный ответ, вошедший в историю как копенгагенская интерпретация. Смысл его примерно такой: не задавай лишних вопросов. Квантовая механика описывает результаты измерений. Что происходит «между» измерениями - вопрос за пределами физики. Считай, что вопроса нет, и всё будет хорошо.

Это работало. Физики получали правильные ответы и строили атомные бомбы. Философский дискомфорт оставался философским дискомфортом. Эверетт был аспирантом, которому философский дискомфорт не давал покоя. Он задал простой вопрос: а что, если коллапса вообще нет?

Идея Эверетта состояла в следующем: волновая функция никогда не коллапсирует. Она продолжает эволюционировать по уравнению Шрёдингера всегда. Без исключений.

Когда прибор измеряет электрон в суперпозиции, прибор сам входит в суперпозицию. Когда физик смотрит на прибор, физик входит в суперпозицию. Когда физик рассказывает коллеге о результате, коллега входит в суперпозицию. Суперпозиция не схлопывается - она расширяется, охватывает всё большие системы, в конечном счёте захватывает всю Вселенную.

Но тогда почему мы всегда видим определённый результат? Почему электрон всегда в одном месте, а не в нескольких сразу? Потому что «мы» - тоже часть волновой функции. И «мы» тоже находимся в суперпозиции.

Просто разные копии нас наблюдают разные результаты, и эти копии не могут взаимодействовать друг с другом. Каждая ветка когерентна внутри себя. Каждый наблюдатель в своей ветке видит определённый исход - и у него нет доступа к тому, что происходит в других ветках. Коллапса нет. Есть ветвление.

Математически это была элегантная идея. Эверетт показал, что если принять волновую функцию всерьёз - как описание реальности, а не просто как вычислительный инструмент, - то ветвление следует из уравнений само собой, без дополнительных постулатов.

Копенгагенская интерпретация добавляла к уравнениям отдельный постулат о коллапсе, который ниоткуда не вытекал и ничем не обосновывался. Эверетт этот постулат убирал. Бор сказал, что это бессмысленно. Эверетт не понял - почему.

Прежде чем двигаться дальше, стоит остановиться на вопросе, который неизбежно возникает: в каком смысле другие ветки «существуют»? Эверетт и его последователи говорят: в том же смысле, в каком существует наша ветка.

Волновая функция реальна. Все её компоненты реальны. Мы живём в одном из них и не имеем доступа к остальным - но это вопрос физической изоляции, а не онтологического статуса.

Физик и философ Дэвид Дойч, который с 1980-х годов является, пожалуй, самым последовательным защитником многомировой интерпретации, формулирует это жёстко: отрицать реальность других веток - значит отрицать реальность квантовой механики. Если уравнения верны, ветки существуют. Если ветки не существуют, уравнения неверны. Выбирайте.

Важный технический момент: ветвление происходит через процесс, называемый декогеренцией.
Когда квантовая система взаимодействует с окружающей средой - с воздухом, фотонами, любыми другими частицами, - разные компоненты её суперпозиции перестают интерферировать друг с другом.

Они становятся независимыми, практически изолированными ветками. Декогеренция происходит невероятно быстро для макроскопических объектов - быстрее, чем любой мыслимый прибор мог бы это зафиксировать.
Поэтому мы никогда не видим кота одновременно живым и мёртвым: к тому времени, как кот стал кошачьего размера, декогеренция уже давно развела ветки в стороны.
Декогеренция - это не коллапс. Ветки не исчезают. Они просто перестают влиять друг на друга.

Распространённое заблуждение состоит в том, что ветвление происходит при каждом «квантовом событии» и число веток растёт как безумное. На самом деле вопрос о том, что считать «ветвлением» и сколько веток существует, не имеет однозначного ответа в рамках самой теории - и это одна из её незакрытых проблем.

Ветвление происходит при декогеренции. Декогеренция - непрерывный процесс. Строгой границы между «одна ветка» и «две ветки» нет.
Дойч и физик Дэвид Уоллес разрабатывали математический аппарат для работы с этой размытостью.
Уоллес в книге «Эмерджентный мультиверс» (2012) предложил наиболее детальное на сегодняшний день обоснование того, почему квантовые вероятности имеют смысл в мире, где все исходы реализуются.

Это отдельная, очень нетривиальная проблема. Если каждый исход случается - почему одни исходы «более вероятны», чем другие? Что значит «вероятность 30%», если соответствующая ветка существует с той же онтологической полнотой, что и ветка с вероятностью 70%? Уоллес решает эту проблему через теорию рационального выбора - и его решение принято частью сообщества, но далеко не всеми.

Здесь начинается самое интересное - и самое спорное.

Если многомировая интерпретация верна, то каждый из нас в каждый момент ветвится. Прямо сейчас. Та копия вас, которая читает этот текст, - одна из бесчисленных. Где-то вы его не читаете. Где-то вы не родились.
Где-то вы сделали другой выбор на каждом из бесчисленных развилок вашей жизни, и все эти версии существуют с той же степенью реальности, что и эта. Первая реакция большинства людей - головокружение. Вторая - вопрос: а кто тогда «я»?

Философы сознания называют это проблемой личностной идентичности в ветвящейся вселенной.
Дерек Парфит, британский философ, работавший над природой личности и идентичности задолго до того, как многомировая интерпретация стала модной, пришёл к выводу, который хорошо рифмуется с эверетовской картиной: «я» как единая непрерывная сущность - иллюзия.
Личность - это паттерн, процесс, а не вещь. Ветвление не «разрезает» вас пополам - оно просто делает явной ту разветвлённость, которая, возможно, была там всегда.

Философ Дэвид Льюис, разрабатывавший теорию модальных реализмов (идею о том, что все возможные миры реальны), независимо пришёл к похожим выводам через совершенно другой путь - через анализ контрфактических суждений.
Когда мы говорим «если бы я тогда выбрал иначе», что именно мы имеем в виду? Льюис настаивал, что речь идёт о реальных, хотя и недоступных нам мирах. Эверетт сказал бы: именно так.

Один из контринтуитивных выводов многомировой интерпретации касается свободы воли. Стандартное возражение против свободы воли в физическом мире звучит так: если всё определяется законами природы, то каждое ваше решение предрешено начальными условиями. Вы думаете, что выбираете, но траектория атомов в вашем мозге была задана в момент Большого взрыва.

В эверетовской вселенной это возражение ломается. Будущее не определено - оно ветвится. До принятия решения существует суперпозиция возможных исходов. После - существуют все они, в разных ветках.

Значит ли это, что свобода воли «восстановлена»? Строго говоря - нет, потому что какая именно копия вас окажется в какой ветке, определяется квантовыми амплитудами, а не «вашим выбором» в привычном смысле. Но само понятие «вашего выбора» меняет смысл. Выбор - это не выбор одного будущего из многих. Выбор - это действие, которое определяет, в какой ветке ваша текущая копия окажется с наибольшей амплитудой.

Дойч формулирует иначе: в многомировой интерпретации будущее открыто в самом буквальном физическом смысле. Это не детерминизм и не случайность - это нечто третье, для чего у нас пока нет хорошего слова.

Многомировая интерпретация переформулирует антропный принцип - наблюдение о том, что физические константы нашей вселенной точно настроены под существование жизни и наблюдателей.

В стандартной формулировке это звучит почти телеологически: как будто вселенная «знала», что нужно для наблюдателей, и подстроилась.
В многомировой картине объяснение прозаичнее и радикальнее одновременно: существуют все возможные вселенные со всеми возможными константами.

Наблюдатели по определению обнаруживают себя в тех ветках, где наблюдатели могут существовать. В ветках с другими константами некому задавать вопрос о тонкой настройке - там никого нет.

Это называется антропным отбором. Никакого замысла, никакой настройки - просто статистика по всему пространству веток, фильтрованная условием наличия наблюдателя.

Следствие для понимания сознания: сознание в этой картине не привилегированная сущность, которая «коллапсирует» волновую функцию (как в некоторых других интерпретациях). Сознание - один из физических процессов, подчиняющихся тем же уравнениям. Наблюдатель не стоит над реальностью, наблюдая её снаружи. Он внутри, он часть ветвящейся волновой функции, он сам ветвится вместе с ней.

Что наука знает, что подозревает и чего пока не понимает.

Знает: математика работает. Декогеренция реальна и экспериментально подтверждена. Квантовая суперпозиция - факт, а не метафора.

Подозревает: многомировая интерпретация может быть правильным описанием реальности. Это не маргинальная позиция - это один из ведущих вариантов в серьёзной дискуссии.

Пока не понимает: как именно из квантового ветвления возникает субъективный опыт - ощущение того, что «я» нахожусь именно в этой ветке, а не в другой.

Это так называемая «трудная проблема сознания», и многомировая интерпретация её не решает. Она переформулирует. Вопрос «почему я вижу именно этот исход?» превращается в вопрос «что значит быть одной из многих копий?» Ответа нет. Есть разные философские позиции, ни одна из которых не является окончательной.

Хью Эверетт, умерший в 51 год и завещавший выбросить свой прах, вряд ли находил утешение в мысли о других ветках. Или, может быть, находил - кто знает.

Для большинства из нас многомировая интерпретация остаётся умственным экспериментом. Другие ветки недоступны.
Интерференция между ними подавлена декогеренцией настолько, что ни один мыслимый прибор не сможет её обнаружить в макроскопическом мире. Практически - мы живём в одной ветке, принимаем решения в одной ветке, несём за них ответственность в одной ветке.

Но кое-что эта картина всё-таки меняет. Она меняет отношение к случайности и к сожалению. «Я мог поступить иначе» приобретает буквальный смысл: где-то копия вас поступила иначе. Обе реальны. Обе несут последствия своих веток. Та, которая читает этот текст, - здесь. С этими последствиями.

Это не повод для безответственности. Раз каждый выбор реализуется где-то в полной мере - имеет смысл думать, в какой ветке ты хочешь оказаться. Эверетт, судя по всему, об этом не думал. Или думал - и выбирал именно так.

Александр Молчанов