Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Отчасти Эверетта вдохновляли поиски квантовой гравитации, которой незадолго до этого заинтересовался Уилер. Остальная часть физики – материя, электромагнетизм, ядерные взаимодействия, – кажется, вполне укладывается в рамки квантовой механики. Но гравитация была (и остается) упрямым исключением. В 1915 году Эйнштейн предложил общую теорию относительности, согласно которой само пространство-время является динамической сущностью, чьи изгибы и искривления мы воспринимаем как силу гравитации. Но общая теория относительности – целиком классическая, в ней есть аналоги координаты и импульса для кривизны пространства-времени, и нет никаких ограничений для их измерения. Оказалось, что взять эту теорию и «проквантовать» ее, то есть создать теорию волновых функций пространства-времени, в противовес классическим представлениям о пространстве-времени, довольно сложно.

Хью Эверетт III (фото публикуется с разрешения архива Хью Эверетта III в Калифорнийском университете, Ирвайн, и Марка Эверетта)

С квантовой гравитацией связаны как технические сложности – вычисления обычно разбухают и приводят к огромным значениям в ответе, – так и концептуальные. Даже в квантовой механике, в которой бывает невозможно указать, где именно находится заданная частица, понятие «точки в пространстве» является совершенно определенным. Можно указать конкретное местоположение и поставить вопрос, какова вероятность найти частицу поблизости. Но если реальность состоит не из материи, распределенной в пространстве, а представляет собой квантовую волновую функцию, описывающую суперпозиции различных возможных пространств-времен, то как мы вообще можем спросить, «где» наблюдается конкретная частица?

Загадки только усложняются, если обратиться к проблеме измерения. К 1950-м годам позиция копенгагенской школы оформилась в доктрину, и физики примирились с идеей о том, что при акте измерения происходит коллапс волновой функции. Они даже согласились рассматривать процесс измерения как фундаментальную составляющую нашего лучшего описания природы. Или по крайней мере, не слишком об этом беспокоиться.

Но что делать, если рассматриваемая квантовая система – это целая Вселенная? В копенгагенском подходе критически важно разграничение между измеряемой квантовой системой и классическим наблюдателем, который выполняет измерение. Если система – это вся Вселенная, то все мы находимся в ней; нет никакого внешнего наблюдателя, к которому можно было бы апеллировать. Годы спустя Стивен Хокинг и другие ученые принялись изучать квантовую космологию, чтобы обсудить, как в самодостаточной Вселенной мог наступить самый первый момент времени, предположительно тот, в который произошел Большой взрыв.

В то время как Уилер и другие размышляли о технических проблемах квантовой гравитации, Эверетт увлекся этими концептуальными проблемами – особенно тем, как быть с измерениями. Ростки многомировой интерпретации проклюнулись в ходе затянувшейся за полночь дискуссии, состоявшейся в 1954 году. Тогда Эверетт беседовал с молодыми коллегами-физиками: Чарльзом Мизнером (также учеником Уилера) и Оге Петерсеном (ассистентом Бора, приехавшим из Копенгагена). Все участники сошлись во мнении, что по этому случаю было выпито изрядное количество хереса.

Очевидно, рассуждал Эверетт, если мы собираемся говорить о Вселенной в терминах квантовой теории, мы не можем выделить отдельную классическую область. Каждую часть Вселенной потребуется рассматривать согласно правилам квантовой механики, то же касается и наблюдателей внутри нее. Будет всего одно квантовое состояние, описываемое (термин предложил Эверетт) «универсальной волновой функцией» (а мы называем ее «волновой функцией Вселенной»).

Если все в мире квантовое, а Вселенная описывается единой волновой функцией, то как же должно происходить измерение? По всей видимости, полагал Эверетт, измерение происходит, когда одна часть Вселенной каким-то подходящим образом взаимодействует с другой ее частью. Он отметил, что подобное должно происходить автоматически, просто в силу эволюции волновой функции согласно уравнению Шрёдингера. Нам вообще не требуется изобретать никаких специальных правил измерения, ведь физические контакты происходят постоянно.