Название изображения, «Гравюра Фламмариона», может быть неизвестным для вас, но вы, скорее всего, много раз его видели. На нём изображён пилигрим в плаще и с посохом. За ним — ландшафт из городов и деревьев. Его окружает кристальная оболочка, испещрённая бесчисленными звёздами. Он достиг края мира, проник на другую его сторону и поражённо взирает на новый мир света, радуг и огня.

Впервые изображение было опубликовано в книге 1888 года французского астронома XIX века Камиля Фламмариона «Атмосфера: Популярная Метеорология». Изначально она была чёрно-белой, хотя сейчас можно встретить и раскрашенные версии. Он отмечает, что небеса действительно выглядят, как купол, на котором закреплены небесные тела, но впечатления обманчивы. «Наши предки, — пишет Фламмарион, — представляли себе, что этот голубой свод и есть такой, каким его видят их глаза. Но, как писал Вольтер, это так же осмысленно, как шелкопряд, прядущий свою сеть до пределов вселенной».

Гравюра рассматривается как символ поиска человечеством знаний, но я предпочитаю видеть в ней более буквальное значение, описываемое Фламмарионом. Много раз в истории науки мы находили разрыв в пограничном знании и протыкали его насквозь. Вселенная не заканчивается за орбитой Сатурна, или за самыми дальними звёздами Млечного пути, или за самыми дальними из видимых нам галактик. Сегодня космологи считают, что могут существовать и совершенно другие вселенные.

Но по сравнению с открытиями квантовой физики это почти банальщина. Это не просто новое отверстие в куполе, а новый тип отверстия. Физики и философы давно спорили по поводу значения квантовой теории, но так или иначе, они соглашаются, что она открывает огромный мир за пределами наших чувств. Возможно, самый простой результат этого принципа — самое прямое прочтение уравнений квантовой теории — многомировая интерпретация, сделанная Хью Эвереттом в 1950-х. С его точки зрения, всё, что может произойти, происходит, где-то в безграничном наборе вселенных, и вероятности квантовой теории представляют относительное число вселенных, в которых происходит один или другой вариант развития событий. Как писал Дэвид Уоллас, философ физики из Университета Южной Калифорнии, в книге 2012 года, «Проявляющаяся мультивселенная» [The Emergent Multiverse], при буквальном восприятии квантовой механики «мир оказывается гораздо больше, чем мы рассчитывали: в самом деле, наш классический „мир“ оказывается небольшой частью гораздо более крупной реальности».

Этот набор вселенных, на первый взгляд, кажется сильно отличающимся от того, про который толкуют космологи. Космологическая мультивселенная выросла из моделей, пытающихся объяснить однородность Вселенной на масштабах, превышающих галактические. Предполагаемые параллельные вселенные — это удалённые отдельные регионы пространства-времени, возникшие в результате их собственных больших взрывов, развивающиеся из своих пузырей квантовой пены (или из чего там ещё вырастают вселенные). Они существуют примерно так же, как галактики — можно представить себе, как мы садимся на космический корабль и отправляемся к ним.

Но в отличие от этого подхода, многомировая интерпретация Эверетта не уводит нас так далеко. Концепция появилась благодаря попыткам понять процесс лабораторных измерений. Частицы, оставляющие следы в камере Вильсона, атомы, отражаемые магнитами, горячие объекты, испускающие свет: всё это были практические эксперименты, приведшие к созданию квантовой теории и к поискам логически непротиворечивой интерпретации. Квантовое разветвление, происходящее в процессе измерения, создаёт новые миры, накладывающиеся на то же самое пространство, в котором существуем мы.

Однако у этих двух типов мультивселенных есть много общего. Перенестись в любой из типов мы можем только мысленно. Долететь до другой вселенной-пузыря в космическом корабле не получится, ведь пространство будет расширяться быстрее. Поэтому эти пузыри отделены друг от друга. Также мы по природе своей отделены от других вселенных в квантовой мультивселенной. Эти миры, хотя они и реальны, навсегда останутся вне поля нашего зрения.

Более того, хотя квантовая мультивселенная разрабатывалась не для космологии, она удивительно хорошо ей подходит. В общепринятой квантовой механике — в Копенгагенской интерпретации, принятой Нильсом бором и его товарищами — нужно различать наблюдателя и то, за чем он наблюдает. Для обычной физики в лабораториях всё в порядке. Наблюдатель — вы, и наблюдаете вы за экспериментом. Но что, если объект наблюдения — вся вселенная? Вы не можете попасть за её пределы, чтобы её измерить. Многомировая интерпретация не делает таких искусственных разделений. В новой работе физик из Калтеха, Шон Кэррол [Sean Carroll], вместе с аспирантами Джейсоном Поллаком и Кимберли Бодди, напрямую применяет многомировую интерпретацию к созданию вселенных в космологической мультивселенной. «Все, что в обычной квантовой механике было ни рыба, ни мясо, становится в принципе подсчитываемым с точки зрения Эверетта», — говорит Кэррол.

И, наконец, два вида мультивселенных дают одинаковые прогнозы наблюдений. Разница в том, что они помещают возможные результаты в разные места. Кэррол считает похожими «космологическую мультивселенную, в которой разные состояния находятся в разделённых регионах пространства-времени, и локализованную мультивселенную, где разных состояния находятся прямо здесь, просто в разных ветвях волновой функции».

Космолог из MIT Макс Тегмарк [Max Tegmark] обозначил эту идею во время доклада в 2002 году, эволюционировавшего в его книгу 2014 года, «Наша математическая Вселенная» [Our Mathematical Universe]. Он описывает несколько уровней мультивселенной. Уровень I — крайне отдалённые регионы нашей собственной Вселенной. Уровень III — его обозначение квантового множества миров (уровни II и IV у него тоже встречаются, но речь сейчас не о них). Чтобы увидеть схожесть между уровнями I и III, необходимо задуматься о природе вероятности. Если у чего-либо может быть два результата, вы видите один из них, но можете быть уверены, что другой тоже произошёл — либо в другой части гигантской вселенной, либо прямо тут, в параллельном мире. Если космос достаточно велик и заполнен материей, события, происходящие здесь, на Земле, также произойдут где-то ещё, как и любые возможные варианты этих событий.

К примеру, вы проводите эксперимент, в котором направляете атом на пару магнитов. Вы увидите, как он устремится к нижнему или к верхнему магниту, с вероятностью в 50%. В многомировой интерпретации существуют два мира, пересекающихся в вашей лаборатории. В одном атом идёт вверх, в другом — вниз. В космологической мультивселенной существуют другие вселенные (или части нашей Вселенной) с идентичным близнецом Земли, на котором гуманоид осуществляет точно такой же эксперимент, но с другим результатом. Математически эти ситуации идентичны.

Не всем нравится мультивселенная, особенно схожие варианты мультивселенной. Но учитывая предварительную природу этих гипотез, давайте посмотрим, куда они нас заведут. Они предлагают радикальную идею: что две мультивселенных не обязательно должны быть отдельными — что многомировая интерпретация не отличается от космологической концепции мультивселенной. Если они и кажутся различными, так это оттого, что мы неправильно представляем себе реальность.

Физик из Стэнфорда, Леонард Саскинд, предложил считать их равными в книге 2005 года «Космический ландшафт» [The Cosmic Landscape]. «Многомировая интерпретация Эверетта, на первый взгляд, кажется сильно отличающейся от вечно раздувающейся мегаверса», — пишет он (используя свой собственный термин для мультивселенной). «Однако я думаю, что две интерпретации могут говорить об одном и том же». В 2011 он вместе с Рафаэлем Буссо, физиком из Беркли, написали вместе работу, в которой они утверждают, что две эти идеи идентичны. Они говорят, что единственным способом придать смысл вероятностям, связанным с квантовой механикой и феноменом декогеренции — благодаря которому появляются наши классические категории позиций и скоростей — будет применение многомировой интерпретации к космологии. В результате естественным образом должна получиться космологическая мультивселенная. В том же году Ясунори Номура [Yasunori Nomura] из Калифорнийского университета в Беркли обосновывал схожую идею в своей работе, где он «обеспечивает унификацию процессов квантовых измерений и мультивселенной». Тегмарк использует примерно ту же аргументацию в работе 2012 года, написанной совместно с Энтони Агуайер [Anthony Aguirre] из Калифорнийского университета в Санта-Круз.

С этой точки зрения, множество квантовых миров находится не непосредственно рядом с нами, а далеко от нас. Волновая функция, как пишет Тегмарк, описывает не «какой-то непонятный воображаемый набор возможностей того, чем может заниматься объект, а реальную пространственную коллекцию идентичных копий объекта, существующих в бесконечном пространстве».

Суть в том, что нужно как следует подумать о вашей точке зрения. Представьте, что вы смотрите на мультивселенную с позиции бога, с которой видно все реализовывающиеся возможности. Нет никаких вероятностей. Всё происходит с определённостью в одном из мест. С ограниченной точки зрения нашего мира, привязанной к планете Земля, различные события разворачиваются с различными вероятностями. «Мы меняем глобальную картинку, в которой абсолютно всё происходит где-то, но никто не может увидеть всё сразу — на локальную, в которой у вас есть один, в принципе познаваемый, участок», — говорит Буссо.

Многие космологи находят в изображении реликтового излучения доказательства существования гораздо большего пространства, чем мы непосредственно можем наблюдать

Чтобы перейти от глобального к локальному, нам необходимо порезать вселенную, чтобы отделить измеряемое от неизмеряемого. Измеряемое — это наш «каузальный участок», как называет его Буссо. Это сумма всего того, что сможет повлиять на нас — не только наблюдаемая вселенная, но и регион пространства, который будет доступен нашим далёким потомкам. Вырезав наш участок из остального пространства-времени, можно представить, какие наблюдения мы можем провести, и в результате получим квантовую механику в старом стиле.

С этой точки зрения причина неопределённости квантовых событий в том, что мы не знаем, где мы находимся в мультивселенной. В бесконечном пространстве существует бесконечное количество существ, выглядящих и ведущих себя ровно как вы во всём. Главную загадку освещает классическая карикатура из New Yorker. На клочке льда стоит толпа одинаковых пингвинов. Один из них спрашивает: «А кто из нас я?»


У бедного пингвина ещё есть возможность установить своё местонахождение через триангуляцию ближайших плавучих льдов, но в мультивселенной таких опорных точек не существует, поэтому мы никогда не сможем разделить наши множественные копии. Дэвид Дойч [David Deutsch] — физик из Оксфорда, и, как Кэррол и Тегмарк, верный приверженец многомировой интерпретации — пишет в своей книге «Ткань реальности» [The Fabric of Reality]: «Предполагать смысл в вопросе, какая из идентичных копий — это я, значит предполагать, что существует некоторая система отсчёта вне мультивселенной, относительно которой можно ответить на этот вопрос: „Я третий слева“. Но что это за „лево“ и что это за „третий“? Нет никакой „точки зрения вне мультивселенной“».

Тегмарк говорит, что, по сути, понятие вероятности в квантовой механике отражает «вашу невозможность найти себя в мультивселенной I уровня, то есть, знать, какая из бесконечного числа ваших копий в пространстве обладает вашим субъективным ощущением». Иначе говоря, события выглядят вероятностными, потому что вы никогда не знаете, кто из вас — вы. Вместо того, чтобы не быть уверенным в том, каким путём пройдёт эксперимент, он идёт всеми путями; вы просто не уверены в том, какой из «вас» наблюдает какой из его результатов.

Для Буссо достаточно математического успеха такого подхода, и он не собирается мучиться бессонницей из-за того, как кто-нибудь будет определять глубинный смысл слившихся мультивселенных. «По сути, важно лишь то, какие предсказания делает ваша теория, и как они соотносятся с наблюдениями, — говорит он. — Регионы, находящиеся за нашим космологическим горизонтом, наблюдать нельзя, как и разветвления волновой функции, на которых мы не оказались. Это просто инструменты, используемые нами для расчётов».

Но такой инструментальный подход к физической теории не удовлетворяет многих. Мы хотим знать, что всё это значит — как чтение показаний с прибора может предавать существование бесконечных пузырей в пространстве-времени. Массимо Пиглюччи [Massimo Pigliucci], научный философ из Городского университета Нью-Йорка, говорит: «Если вы говорите о реальном разделении вселенной, тогда объясните мне, как точно это происходит, и где конкретно находятся эти другие миры».

Возможно, чтобы понять смысл связи между вариантами мультивселенной, необходимо обновить наше понимание пространства и времени. Если мультивселенная одновременно находится где-то далеко и прямо тут, возможно, это признак того, что наши категории «там» и «тут» подводят нас.

Почти два десятилетия назад Дойч доказывал в своей «Ткани реальности», что мультивселенная изобретает новую концепцию времени. Как в повседневной жизни, так и в физике, мы предполагаем существование чего-то типа ньютоновского вечно текущего времени. Мультивселенную обычно описывают как структуру, раскрывающуюся во времени. На самом же деле время не течёт и не проходит, и мы не движемся по нему неким таинственным способом. Время — это способ, при помощи которого мы определяем движение. Оно не может двигаться. Поэтому мультивселенная не эволюционирует. Она просто существует. Дойч пишет: «Мультивселенная не „появлялась“ и не „исчезает“; эти термины предполагают течение времени».

Вместо того, чтобы представлять, как мультивселенная разворачивается во времени, Дойч считает, что мы должны представлять, как время разворачивается в мультивселенной. Другое время — это просто особые случаи других вселенных. Независимо от него физик Джулиан Барбор [Julian Barbour] также возился с этой идеей в своей книге «Конец времени» [The End of Time] 1999 года. Некоторые из этих других вселенных, пишет Дойч, так сильно напоминают нашу — наше «сейчас» — что мы интерпретируем их, как части истории нашей вселенной, а не как отдельные вселенные. Для нас они находятся не где-то в пространстве, а на нашей временной линии. Так же, как мы не можем воспринять всю вселенную за раз, мы не можем воспринять бесконечный массив моментов за раз. Вместо этого наше восприятие отражает нашу перспективу встроенных наблюдателей, живущих единичными моментами. Переходя с глобальной на локальную точку зрения, мы восстанавливаем знакомые признаки времени.

Мультивселенная может исправить и наше представление о пространстве. «Почему мир выглядит классическим?» — спрашивает Кэррол. — Почему пространство-время существует в четырёх измерениях?" Кэррол, сделавший в блоге запись по вопросу объединения мультивселенных, признаёт, что Эверетт не отвечает на эти вопросы, «но даёт вам платформу, на основе которой их можно задавать».

Он верит, что пространство не фундаментально, а является результатом некоего явления. Но откуда оно появляется? Что на самом деле существует? Для Кэррола образ Эверетта даёт простой ответ на этот вопрос. «Мир — это волновая функция, — говорит Кэррол. — Это элемент гильбертового пространства. Вот и всё».

Гильбертово пространство — это математическое пространство, связанное с квантовой волновой функцией. Это абстрактное представление всех возможных состояний системы. Оно немного похоже на евклидово, но количество измерений меняется, и зависит от количества допустимых состояний системы. У кубита — фундаментальной единицы данных в квантовых компьютерах, способной принимать значение 0, 1, или находиться в их суперпозиции, гильбертово пространство двумерно. Непрерывная величина, типа позиции или скорости, соответствует бесконечномерному гильбертовому пространству.

Обычно физики начинают с системы, существующей в реальном пространстве, и выводят из неё гильбертово пространство, но Кэррол считает, что этот процесс можно обратить. Представьте все возможные состояние вселенной и придите к тому, в каком из пространств система должна существовать — если она вообще существует в некоем пространстве. Система может существовать не в одном, а в нескольких пространствах одновременно, и тогда мы будем называть её мультивселенной. Такой взгляд «естественным образом ложится на идею возникающего пространства-времени», — говорит Кэррол.

Некоторые люди — особенно, философы — отказываются от такого подхода. Гильбертово пространство может быть допустимым математическим инструментом, но это не значит, что мы в нём живём. Уоллэс, поддерживающий многомировую интерпретацию, говорит, что гильбертово пространство — это не буквально существующая структура, но способ описания реальных вещей — струн, частиц, полей, или из чего там ещё состоит вселенная. «В метафорическом смысле мы живём в гильбертовом пространстве, но не в буквальном», — говорит он.

Хью Эверетт не дожил до возрождения интереса к его версии квантовой механики. Он умер от сердечного приступа в 1982, в 51 год. Он был непоколебимым атеистом и был уверен в том, что это конец; его жена, следуя его инструкциям, выбросила пепел вместе с мусором. Но его послание, возможно, начинает укореняться. Его можно просуммировать коротко: относитесь серьёзно к квантовой механике. В этом случаем мы обнаруживаем, что мир — сюрприз! — становится богаче и больше, чем мы себе представляли. Так же, как у Вольтера шелкопряд видел только свою сеть, мы видим только небольшой кусочек мультивселенной, но, благодаря Эверетту и его последователям, мы всё ещё можем протиснуться через трещину в кристальной оболочке, «где земля встречается с небом», и бросить беглый взгляд на то, что простирается за их пределами.

Dan Falk
26 january 2017
nautil.us

Перевод:
Вячеслав Голованов
habr.com