Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность

Занимаясь квантовыми измерениями, ты получаешь один физический параметр, именуемый измеряемой величиной. Например, если ты ищешь способ определить местонахождение частицы, то ее позиция будет измеряемой величиной. До измерения квантовая система состоит из комбинации возможностей – например, смеси определенного количества одного позиционного состояния, определенного количества другого и так далее, и все это именуется «суперпозиционным состоянием». Эта смесь постепенно изменяется в соответствии с уравнением Шредингера. Но в тот момент, когда проводится измерение, система случайным образом коллапсирует до одного из позиционных состояний, словно карточный домик, рушащийся неким произвольным образом.

Эверетту не нравилась ни одна из существующих квантовых интерпретаций, все они выглядели произвольными и субъективными. Однажды вечером, выпив пару стаканов шерри, он поделился своими чувствами с Петерсеном, как раз зашедшим в Градуэйт-колледж. Он заявил, что квантовая физика крайне нуждается в объективном толковании, и что идея измеряемых переменных, базирующаяся на том, что ты собираешься измерять, выглядит абсурдной. Почему выбор экспериментатора должен влиять на то, что происходит в мире частиц?

Петерсен счел себя обязанным защитить взгляды своего наставника. Датчанин предложил точку зрения, согласно которой квантовое измерение было в значительной степени решенной проблемой.

Принцип дополнительности Бора обеспечивал философское обоснование, а более детальные интерпретации, такие как у фон Неймана, показывали, как рассчитывать экспериментальные результаты. Оставалось так много неисследованного в физике, и зачем изобретать колесо заново, ставить под вопрос столь успешную теорию, как квантовая механика?

Мизнер наблюдал за спором с большим интересом. Он знал, что им предстоит еще не одна такая дискуссия на протяжении семестра, и ему нравились оба подхода.

С одной стороны, он понимал сомнения Эверетта, брошенные в лицо догмам физического мейнстрима в лице Петерсена. «Хью думал, что интерпретация Петерсена просто невыносима», – вспоминал он позже.

Мизнер соглашался с Эвереттом, что неестественным кажется тот факт, что уравнение Шредингера работает для постоянных изменений, но не объясняет проблему измерения. «Это выглядело странным подходом к фундаментальному закону физики»⁹⁰, – писал он.

С другой стороны, Мизнера интересовали более злободневные вопросы теории. Работа над геометродинамикой шла полным ходом, и методы Фейнмана, приложенные к гравитации, пусть и спорным образом, предлагали более осязаемую проблему, чем донкихотовская попытка внести объективность в теорию квантовых измерений.

Волновая функция вселенной

В погоне за квантовой гравитацией Мизнер и Уилер вскоре поняли, что ассортимент измеряемых переменных (базовых физических величин, которые будут определяться – эквиваленты позиции, импульса, энергии и т. д. для описания простых частиц) не столь очевиден. Общая теория относительности в исходной форме, предложенной Эйнштейном, поместила пространство и время на общую основу. Одно с легкостью могло быть превращено в другое, как вода и лед.

Тем не менее при любой разновидности реалистического наблюдения мы замечаем, как нечто изменяется пространственно на протяжении определенных временных интервалов – так вселенная расширяется на протяжении долгих эонов. Следовательно, процесс измерений естественным образом разделяет пространство и время, требуя, чтобы четырехмерный блок пространства-времени нарезался на трехмерные ломти с течением времени. Такое «нарезание» не может быть произвольным, оно осуществляется в соответствии с динамикой Эйнштейна.

Физики Ричард Арновитт и Стэнли Десер вместе с тем же Мизнером найдут решение этой внушительной проблемы через несколько лет, и оно получит название «АДМ-формализм».

Более философской оказалась задача отделения наблюдателя от наблюдаемого. Если вся вселенная представляет собой некоторую систему под наблюдением, как может иметь место независимое наблюдение, ведь никто не имеет возможности покинуть вселенную, чтобы осмотреть ее и измерить снаружи?

С другой стороны, все, находящиеся внутри вселенной, являются частью системы.

Задача увидеть, как может работать концепт волновой функции, не ссылаясь при этом на внешнего наблюдателя, представлялась сложной и интересной. Попытка развить способ проведения квантовых измерений без подобного коллапса выглядела равным образом устрашающей.

Эверетт постоянно думал об альтернативах Копенгагенской интерпретации, и однажды он явился к Уилеру с революционной новой гипотезой: предположим, что нет коллапса, предположим, что волновые функции каждой квантовой системы и вселенной как целого продолжают беспрепятственно развиваться в соответствии с уравнением Шредингера, уравнением Дирака и всеми непрерывными способами описания квантовых систем. Если нет коллапса, то нет нужды и во внешнем наблюдателе, следовательно, волновая функция вселенной может быть определена однозначным образом.