Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Именно поэтому, подготовив работу на эту тему, Эверетт назвал ее «Формулировка квантовой механики через “соотнесенные состояния”». Когда измерительный прибор взаимодействует с квантовой системой, они оказываются в состоянии запутанности друг с другом. Здесь нет никаких коллапсов волновой функции или классических областей. Сам прибор эволюционирует в суперпозицию, запутываясь с состоянием наблюдаемого предмета. Определенный с виду результат измерения («у электрона верхний спин») справедлив только по отношению к конкретному состоянию аппарата («я измерил спин электрона и узнал, что он верхний»). Другие возможные результаты экспериментов по-прежнему существуют и совершенно реальны, но относятся к другим мирам. Все, что от нас требуется – набраться смелости и признать то, о чем квантовая механика «пытается рассказать» нам с самого начала.

⚪ ⚪ ⚪

Давайте подробнее проговорим о том, что именно происходит в момент измерения, согласно теории Эверетта.

Допустим, у нас есть вращающийся электрон, который можно наблюдать в состоянии либо верхнего, либо нижнего спина относительно некоторой выбранной оси. До измерения электрон обычно находится в некоторой суперпозиции верхнего и нижнего спинов. Также у нас есть измерительный прибор, который сам является полноценной квантовой системой. Представьте, что она может находиться в суперпозиции трех разных возможностей: в ней может быть измерен верхний спин, в ней может быть измерен нижний спин либо спин может быть еще не измерен – последняя ситуация называется состоянием «готовности».

Тот факт, что измерительный прибор работает, говорит нам о том, как совместное состояние комбинированной системы «спин + измерительный прибор» эволюционирует согласно уравнению Шрёдингера. А именно, если начать с прибора в состоянии готовности и электрона в чистом состоянии верхнего спина, то состояние прибора гарантированно эволюционирует в чистое состояние «измерен верхний спин»:

Исходное состояние слева можно трактовать как: «верхний спин, прибор в состоянии готовности», тогда как состояние справа, где индикатор показывает на стрелку вверх, означает: «верхний спин, прибор измерил его и показал, что он верхний».

Аналогично возможность успешно измерить чистый нижний спин подразумевает, что прибор должен перейти из состояния «готовности» в состояние «измерен нижний спин»:

Естественно, мы хотим понять, что происходит, когда изначально спин находится не в чисто верхнем и не в чисто нижнем состоянии, а в некоторой суперпозиции обоих. Хорошая новость: нам уже известно все для этого необходимое. Правила квантовой механики ясны: если вы знаете, как эволюционирует система, начиная с двух разных состояний, то эволюция суперпозиции обоих этих состояний будет просто суперпозицией двух эволюций. Иными словами, имея в начале эксперимента спин в некоторой суперпозиции и измерительное устройство в состоянии готовности, получаем:

Итоговое состояние теперь представляет собой запутанную суперпозицию: спин верхний и измерен как верхний, плюс спин нижний и измерен как нижний. В этот момент уже не вполне корректно говорить: «спин находится в суперпозиции» или «прибор находится в суперпозиции». Запутанность не позволяет нам говорить о волновой функции спина или волновой функции устройства по отдельности, так как наблюдаемое состояние одного из этих компонентов может зависеть от того, в каком состоянии мы наблюдаем второй. Единственное, что мы можем сказать: «система “спин + прибор” находится в суперпозиции».

Это конечное состояние является ясной, однозначной, определенной и конечной волновой функцией для комбинированной системы «спин + прибор», если все, что мы делаем с системой, это преобразуем ее в соответствии с уравнением Шрёдингера. В этом и заключается секрет эвереттовской квантовой механики. Уравнение Шрёдингера предписывает, что состояние точного измерительного прибора постепенно эволюционирует в макроскопическую суперпозицию, которую мы в конечном итоге интерпретируем как разветвление на отдельные миры. Мы не привносим миры в эту картину – они существовали всегда, и уравнение Шрёдингера неизбежно делает их реальными. Проблема в том, что в воспринимаемой нами реальности нам не попадаются суперпозиции, в которые были бы вовлечены крупные макроскопические объекты.