Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Наиболее специфическое свойство пространства – это локальность. Объекты взаимодействуют, когда находятся рядом в пространстве. Два бильярдных шара отскакивают друг от друга, когда сходятся в одной и той же точке пространства. Ничего подобного не происходит с частицами, обладающими одинаковыми (или противоположными) импульсами: если они не находятся в одном и том же месте, то просто продолжают двигаться своим путем. Такая черта не является обязательной для законов физики – можно представить себе другие возможные миры, где такого бы не происходило, – но в нашем мире, по-видимому, все устроено именно так.

Рикошетящие бильярдные шары являются классическими телами, но аналогичную ситуацию можно представить и в квантовой механике. Базовый квантовый формализм также трактует координату и импульс как равноценные феномены. Можно выразить волновую функцию, присвоив комплексную амплитуду любой координате, где может находиться частица, либо с тем же успехом ее можно выразить, присвоив комплексное число любому импульсу, которым может обладать частица. Два способа описания одного и того же базового квантового состояния эквивалентны, они выражают одну и ту же информацию, но разными способами, что мы и наблюдали, когда обсуждали принцип неопределенности.

Выводы получаются весьма глубокими. Мы уже говорили, что волновая функция в определенный момент времени напоминает синусоиду, но так она выглядит при рассмотрении координаты, то есть с той точки зрения, с какой мы привыкли о ней рассуждать. Если выразить то же квантовое состояние в терминах импульса, то функция выглядела бы как пик в точке, соответствующей конкретному импульсу. А вот состояние с определенной координатой выглядит как синусоида, распределенная по всем возможным значениям импульса. Это позволяет предположить, что по-настоящему важен абстрактный феномен «квантового состояния», а не его конкретное представление в виде волновой функции, выраженной в терминах координаты или импульса.

Симметрию снова нарушает тот факт, что в нашем конкретном мире системы взаимодействуют друг с другом, когда расположены поблизости в пространстве. Именно так устроена динамическая локальность. Но с точки зрения многомировой интерпретации, которая трактует квантовые состояния как фундаментальные, а все остальное – как эмерджентное, напрашивается вывод, что ситуацию нужно воспринимать прямо противоположным образом: «пространственные координаты» – это переменные, в рамках которых взаимодействия выглядят локальными. Пространство не фундаментально: это просто способ представления того, что происходит с квантовой волновой функцией.

⚪ ⚪ ⚪

С такой точки зрения проще понять, почему эвереттовская волновая функция естественным образом делится на множество миров с приблизительно классическими свойствами. Данный феномен называется проблемой предпочтительного базиса. Многомировая интерпретация основана на том факте, что волновая функция Вселенной, как правило, описывает всевозможные суперпозиции, в том числе такие состояния, где в суперпозициях оказываются объекты, расположенные в совершенно разных местах. Однако мы никогда не наблюдаем в суперпозициях ни стульев, ни шаров для боулинга, ни планет. Если судить по наблюдаемым явлениям, эти тела всегда обладают определенными координатами, а их движение подчиняется законам классической механики с очень высокой точностью. Почему мы не наблюдаем состояний, где в суперпозициях находились бы макроскопические объекты? Можно записать волновую функцию как комбинацию множества разных миров, но почему мы делим ее именно на эти миры?

В принципе, ответ на этот вопрос был сформулирован в 1980-х. Объяснение было найдено в декогеренции, хотя исследователи до сих пор продолжают уточнять детали. Здесь было бы уместно обратиться к хорошо известному мысленному эксперименту под названием «кот Шрёдингера». Есть герметичная коробка, в которой сидит кот, и в ней – емкость с усыпляющим газом. В исходной шрёдингеровской постановке эксперимента газ был ядовитым, но незачем представлять, будто мы умерщвляем кота. (Как-то раз дочь Шрёдингера Рут предположила, что «папа просто не любил котов».)

Один из экспериментаторов взвел пружину, открывающую емкость, в результате чего газ попадет в коробку, и кот заснет. Но пружина срабатывает только после щелчка счетчика Гейгера, фиксирующего радиоактивную частицу. Рядом с детектором находится источник радиации. Нам известно, с какой частотой частицы испускаются из этого источника, поэтому можно вычислить, какова вероятность, что счетчик щелкнет и откроет емкость с газом в течение некоторого промежутка времени.