Введение
Интерпретация квантовой механики
Интерпретация многих миров (ИММ) – это философская позиция относительно связи математического аппарата квантовой механики с физической реальностью. Она утверждает, что универсальная волновая функция объективно реальна и что коллапса волновой функции не происходит. Это подразумевает, что все возможные исходы квантовых измерений физически реализуются в некотором "мире" или вселенной. В отличие от некоторых других интерпретаций, эволюция реальности в целом в ИММ является строго детерминированной. Интерпретацию многих миров также называют формулировкой относительных состояний или интерпретацией Эверетта, в честь физика Хью Эверетта, который впервые предложил её в 1957 году. Брайс ДеВитт популяризировал эту формулировку и в 1970-х годах дал ей название "многие миры". В современных версиях интерпретации многих миров субъективное восприятие коллапса волновой функции объясняется механизмом квантовой декогеренции. ИММ считается одной из основных интерпретаций квантовой механики, наряду с другими интерпретациями декогеренции, копенгагенской интерпретацией и теориями скрытых переменных, такими как бомовская механика. Это одна из множества гипотез мультивселенной в физике и философии. ИММ представляет время как многоветвящееся дерево, в котором реализуется каждый возможный квантовый исход. Это призвано разрешить проблему измерения и, следовательно, некоторые парадоксы квантовой теории, такие как парадокс "друга Вигнера". Зюрек подчеркивает, что его работа не зависит от конкретной интерпретации.
Свойства
MWI устраняет зависимую от наблюдателя роль в процессе квантового измерения, заменяя коллапс волновой функции установленным механизмом квантовой декогеренции. Поскольку роль наблюдателя лежит в основе всех "квантовых парадоксов", таких как парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена и "проблема границы" фон Неймана, это обеспечивает более ясный и простой подход к их разрешению. MWI — это реалистичная, детерминированная и локальная теория. Она достигает этого, устраняя коллапс волновой функции, который является недетерминированным и нелокальным, из детерминированных и локальных уравнений квантовой теории. MWI критически зависит от линейности квантовой механики, которая является основой принципа суперпозиции. Если окончательная теория всего нелинейна относительно волновых функций, то концепция множественности миров становится недействительной.
Альтернатива коллапсу волновой функции
Как и в случае с другими интерпретациями квантовой механики, интерпретация множества миров мотивирована поведением, которое можно проиллюстрировать экспериментом с двумя щелями. Когда частицы света (или чего-либо другого) проходят через двойную щель, вычисление, основанное на волнообразном поведении света, может быть использовано для определения вероятного места наблюдения частиц. Однако, когда частицы наблюдаются в этом эксперименте, они проявляют себя как частицы (то есть в определенных местах), а не как нелокализованные волны. Некоторые версии копенгагенской интерпретации квантовой механики предлагали процесс «коллапса», в котором неопределенная квантовая система вероятностно коллапсировала бы к одному определенному исходу или выбирала его, чтобы «объяснить» это явление наблюдения. Коллапс волновой функции широко рассматривался как искусственный и специальный, поэтому альтернативная интерпретация, в которой поведение измерения можно было бы понять из более фундаментальных физических принципов, считалась желательной. Докторская диссертация Эверетта предоставила такую интерпретацию. Он утверждал, что для составной системы — такой как субъект («наблюдатель» или измерительный аппарат), наблюдающий объект («наблюдаемая» система, например, частицу) — утверждение о том, что либо наблюдатель, либо наблюдаемое имеет четко определенное состояние, лишено смысла; в современной терминологии наблюдатель и наблюдаемое запутались: мы можем указать только состояние одного относительно другого, то есть состояние наблюдателя и наблюдаемого коррелирует после проведения наблюдения. Это привело Эверетта к выводу из унитарной, детерминированной динамики (то есть без предположения о коллапсе волновой функции) о понятии относительности состояний. Эверетт заметил, что унитарная, детерминированная динамика сама по себе подразумевает, что после наблюдения каждый элемент квантовой суперпозиции комбинированной волновой функции субъект-объект содержит два «относительных состояния»: состояние «сколлапсировавшего» объекта и соответствующего наблюдателя, который наблюдал тот же сколлапсировавший исход; то, что видит наблюдатель, и состояние объекта стали коррелировать в результате измерения или наблюдения. Последующая эволюция каждой пары относительных состояний субъект-объект происходит с полным безразличием к присутствию или отсутствию других элементов, как будто коллапс волновой функции произошел. Поскольку волновая функция, по-видимому, сколлапсировала, Эверетт рассудил, что не было необходимости фактически предполагать, что это произошло. И таким образом, применив бритву Оккама, он исключил постулат о коллапсе волновой функции из теории. Она состоит из экспериментатора («друга Вигнера»), проводящего измерение на квантовой системе в изолированной лаборатории, и другого экспериментатора (Вигнера), который будет проводить измерение на первом. Согласно теории множества миров, первый экспериментатор окажется в макроскопической суперпозиции, видя один результат измерения в одной ветви и другой результат в другой ветви. Затем второй экспериментатор мог бы интерферировать с этими двумя ветвями, чтобы проверить, находится ли он действительно в макроскопической суперпозиции или сколлапсировал в одну ветвь, как это предсказывается копенгагенской интерпретацией. С тех пор Локвуд, Вайдман и другие сделали аналогичные предложения, требующие размещения макроскопических объектов в когерентной суперпозиции и их интерференции, задача, которая в настоящее время выходит за рамки экспериментальных возможностей.
Вероятность и правило Бона
С момента появления интерпретации многих миров физики размышляют о роли вероятности в ней. Как выразился Уоллес, вопрос имеет две стороны: с тех пор было предложено несколько других выводов правила Борна в рамках многомировой интерпретации. Нет единого мнения о том, были ли эти попытки успешными.
Частота
ДеУитт и Грэм, среди прочих, предложили обоснования правила Борна, основанные на частотной интерпретации вероятности. Они пытались показать, что в пределе бесконечного числа измерений ни один из миров не имел бы относительных частот, отличающихся от вероятностей, предсказанных правилом Борна, однако эти обоснования были признаны математически некорректными.
Теория решений
Теоретическое обоснование правила Борна было предложено Дэвидом Дойчем (1999) и доработано Уоллесом и Сондерсом. Они рассматривают агента, участвующего в квантовом пари: агент проводит измерение над квантовой системой, что приводит к разветвлению, и каждое из будущих воплощений агента получает вознаграждение, зависящее от результата измерения. Агент использует теорию принятия решений, чтобы оценить цену, которую он готов заплатить за участие в таком пари, и приходит к выводу, что эта цена определяется полезностью вознаграждений, взвешенных согласно правилу Борна. Некоторые отзывы были положительными, хотя эти аргументы остаются крайне спорными; некоторые теоретические физики рассматривают их как поддержку концепции параллельных вселенных. Например, в статье журнала New Scientist, посвященной конференции 2007 года по эвереттовским интерпретациям, физик Энди Альбрехт заявил: "Эта работа войдет в историю как одно из важнейших достижений в истории науки".
Симметрии и инвариантность
В 2005 году Зюрек вывел правило Борна, основываясь на симметриях запутанных состояний; Шлошауэр и Файн утверждают, что вывод Зюрека не является строгим, поскольку он не определяет, что такое вероятность, и содержит ряд неявных предположений о том, как она должна себя вести. В 2016 году Чарльз Себенс и Шон М. Кэрролл, развивая работы Льва Вайдмана, предложили схожий подход, основанный на неопределенности самолокализации. В рамках этого подхода декогеренция порождает множество идентичных копий наблюдателей, которые могут оценивать вероятность нахождения на разных ветвях, используя правило Борна. Подход Себенса и Кэрролла подвергся критике Адриана Кента, а Вайдман считает его неудовлетворительным.
Подсчет филиалов
В 2021 году Саймон Сандерс вывел правило Борна, используя подсчет ветвей. Ключевой особенностью этого подхода является определение ветвей таким образом, чтобы все они имели одинаковую величину или 2-норму. Отношения количества так определенных ветвей дают вероятности различных исходов измерения в соответствии с правилом Борна.
Проблема предпочтительной базы
Как первоначально сформулировано Эвереттом и Девиттом, интерпретация многих миров придавала измерениям привилегированную роль: они определяли, какая база квантовой системы породит одноименные миры. Без этого теория была бы неоднозначной, поскольку квантовое состояние в равной степени можно описать (например) как имеющее четко определенное положение или как суперпозицию двух делокализованных состояний. Предполагается, что предпочтительной базой для использования является та, которая сопоставляет каждому миру уникальный результат измерения. Эта особая роль измерений проблематична для теории, поскольку она противоречит цели Эверетта и Девитта – создать редукционистскую теорию и подрывает их критику нечетко определенного постулата измерения копенгагенской интерпретации. Решение заключается во включении декогеренции в теорию многих миров. В этом подходе предпочтительная база не постулируется, а скорее идентифицируется как база, устойчивая к экологической декогеренции. Таким образом, измерения больше не играют особой роли; любое взаимодействие, вызывающее декогеренцию, приводит к разделению мира. Поскольку декогеренция никогда не бывает полной, всегда будет оставаться некоторое бесконечно малое перекрытие между двумя мирами, что делает произвольным решение о том, разделилась ли пара миров или нет. Уоллес утверждает, что это не является проблемой: это лишь показывает, что миры не являются частью фундаментальной онтологии, а скорее частью эмерджентной онтологии, где такие приближенные, эффективные описания являются обычным делом в физических науках. Поскольку в этом подходе миры выводятся, следует, что они должны присутствовать в любой другой интерпретации квантовой механики, которая не имеет механизма коллапса, такой как бомовская механика. Этот подход к выводу предпочтительной базы подвергся критике за создание круговой аргументации при выводе вероятностей в интерпретации многих миров, поскольку теория декогеренции зависит от вероятности, а вероятность зависит от онтологии, выведенной из декогеренции. Уоллес утверждает, что теория декогеренции зависит не от вероятности, а только от представления о том, что в физике допустимы приближения. Эверетт первоначально назвал свой подход «интерпретацией корреляций», где «корреляции» относятся к квантовой запутанности. Фраза «многие миры» принадлежит Брайсу Девитту, а в трудах Шредингера того периода также содержатся элементы, напоминающие модальную интерпретацию, предложенную Басом ван Фраассеном. Поскольку Шредингер придерживался своеобразного постмахианского нейтрального монизма, в котором «материя» и «ум» являются лишь различными аспектами или упорядочениями одних и тех же общих элементов, рассмотрение волновой функции как физической и как информации стало взаимозаменяемым. Леон Купер и Дебора Ван Вехтен разработали очень похожий подход до того, как прочитать работы Эверетта. Зех также пришел к тем же выводам, что и Эверетт, до того, как прочитать его работы, а затем построил новую теорию квантовой декогеренции, основанную на этих идеях. По словам людей, знавших его, Эверетт верил в буквальную реальность других квантовых миров. Его сын и жена сообщили, что он «никогда не колебался в своей вере в теорию многих миров». В своем подробном обзоре работ Эверетта Оснаги, Фрейтас и Фрейре-младший отмечают, что Эверетт последовательно использовал кавычки вокруг слова «реальный», чтобы указать на его значение в контексте научной практики.
Поддержка
Один из самых убежденных и давних сторонников MWI – Дэвид Дойч. По его мнению, интерференционная картина, наблюдаемая в эксперименте с двумя щелями для одиночного фотона, может быть объяснена интерференцией фотонов в множестве вселенных. С этой точки зрения, эксперимент с интерференцией одиночного фотона не отличим от эксперимента с интерференцией множества фотонов. В более практичном плане, в одной из первых работ по квантовым вычислениям Дойч предположил, что параллелизм, вытекающий из MWI, может привести к "методу, позволяющему универсальному квантовому компьютеру выполнять определенные вероятностные задачи быстрее, чем любой классический компьютер". Он также утверждал, что MWI будет поддаваться проверке (по крайней мере, в противовес "наивному" копенгагенскому толкованию), когда обратимые компьютеры обретут сознание посредством обратимого наблюдения спина.
Неоднозначно
Философы науки Джеймс Ледиман и Дон Росс утверждают, что многомировая интерпретация (ММИ) может быть верной, но сами её не принимают. Они отмечают, что ни одна квантовая теория пока не является эмпирически адекватной для описания всей реальности, поскольку не объединена с общей теорией относительности, и поэтому не видят оснований считать какую-либо интерпретацию квантовой механики окончательным словом в метафизике. Они также полагают, что множественность ветвей может быть следствием неполноты описаний и применения квантовой механики к состояниям макроскопических объектов. Они утверждают, что макроскопические объекты существенно отличаются от микроскопических тем, что не изолированы от окружающей среды, и использование квантового формализма для их описания лишено объяснительной, описательной силы и точности.
Отторжение
Некоторые ученые считают определенные аспекты MWI нефальсифицируемыми и, следовательно, ненаучными, поскольку множественные параллельные вселенные не взаимодействуют, в том смысле, что между ними невозможно передавать какую-либо информацию. Виктор Стенгер отметил, что опубликованные работы Мюррея Гелла-Манна однозначно отвергают существование одновременных параллельных вселенных. Работая совместно с Джеймсом Хартлом, Гелл-Манн стремился к разработке более "приемлемой" пост-эвереттовской квантовой механики. Стенгер полагает, что справедливо сказать, что большинство физиков считают MWI слишком радикальной, хотя она "имеет достоинство в том, что позволяет найти место наблюдателю внутри анализируемой системы и избавляет от проблемного понятия коллапса волновой функции". Гелл-Манн и Хартл, вместе с несколькими десятками других ученых, работали над созданием более убедительной интерпретации квантовой механики, свободной от проблем, присущих всем рассмотренным нами интерпретациям. Эта новая интерпретация, в различных ее вариантах, называется пост-эвереттовской квантовой механикой, теорией альтернативных историй, теорией согласованных историй или теорией декогерентных историй. Я не буду углубляться в детальные различия между этими подходами и буду использовать эти термины более или менее как синонимы. По словам Пенроуза, "правила меняются, когда в дело вступает гравитация". Он далее утверждает, что гравитация помогает закрепить реальность, и "размытые" события имеют лишь один возможный исход: "электроны, атомы, молекулы и т.д. настолько малы, что для поддержания их гравитации и, следовательно, их перекрывающихся состояний требуется ничтожно малое количество энергии. Они могут оставаться в этом состоянии вечно, как это описано в стандартной квантовой теории". С другой стороны, "в случае крупных объектов дублирующиеся состояния исчезают мгновенно из-за того, что эти объекты создают сильное гравитационное поле". Философ науки Роберт Криз утверждает, что MWI – "одна из самых невероятных и нереалистичных идей в истории науки", поскольку она подразумевает, что происходит все, что только можно вообразить. Ашер Перес был резким критиком MWI. В его учебнике 1993 года был раздел под названием "Интерпретация Эверетта и другие странные теории". Перес утверждал, что различные интерпретации множественности миров лишь переносят произвольность или неопределенность постулата коллапса на вопрос о том, когда "миры" можно считать отдельными, и что сформулировать объективный критерий для такого разделения невозможно.
Опросы
Опрос 72 "ведущих квантовых космологов и других теоретиков квантового поля", проведенный до 1991 года Л. Дэвидом Раубом, показал, что 58% респондентов согласились с утверждением: "Да, я думаю, что интерпретация многих миров (MWI) верна". Макс Тегмарк сообщает о результатах "крайне ненаучного" опроса, проведенного на семинаре по квантовой механике в 1997 году. По словам Тегмарка, "интерпретация многих миров (MWI) заняла второе место, значительно опередив интерпретации последовательных историй и Бома". В ответ на заявление Шона М. Кэрролла: "Как бы безумно это ни звучало, большинство работающих физиков склоняются к теории многих миров", Майкл Нильсен возражает: "на конференции по квантовым вычислениям в Кембридже в 1998 году сторонник теории многих миров опросил аудиторию, состоящую примерно из 200 человек. Теория многих миров показала хорошие результаты, получив поддержку на уровне, сопоставимом, но несколько ниже, чем у копенгагенской интерпретации и декогеренции". Однако Нильсен отмечает, что большинству участников это показалось пустой тратой времени: Перес "получил продолжительные и бурные аплодисменты, когда в конце опроса он встал и спросил: "А кто здесь верит, что законы физики определяются демократическим голосованием?" Опрос 2005 года, проведенный среди менее чем 40 студентов и исследователей после курса по интерпретации квантовой механики в Институте квантовых вычислений Университета Ватерлоо, показал, что "Многие миры (и декогеренция)" оказались наименее популярными. Опрос 2011 года, проведенный среди 33 участников австрийской конференции, выявил, что 6 поддерживают MWI, 8 – "информационную/информационно-теоретическую" концепцию, а 14 – копенгагенскую интерпретацию; авторы отмечают, что MWI получила аналогичный процент голосов, как и в опросе Тегмарка 1997 года. Дэвид Дойч в своей книге "Начало бесконечности" предполагает, что некоторые вымышленные сценарии, такие как альтернативная история, могут существовать где-то в мультивселенной, при условии их соответствия законам физики. По мнению Лэдимана и Росса, многие, казалось бы, физически правдоподобные, но нереализованные возможности, обсуждаемые в других научных областях, как правило, не имеют аналогов в других ветвях, поскольку они фактически несовместимы с универсальной волновой функцией. Большинство экспертов полагают, что эксперимент не удастся реализовать в реальном мире, поскольку мир, в котором выжил экспериментатор, имеет более низкую "меру", чем мир до проведения эксперимента, что снижает вероятность выживания экспериментатора.