Чтение онлайн

Среди слушателей Эйнштейна 14 апреля 1954 г. был худощавый, энергичный молодой человек с орлиным профилем и пытливым взором: Хью Эверетт III {158} . Ему было только 23 года, когда он вместе со своим другом Чарлзом Мизнером, слушавшим курс Уилера по теории относительности, пришел на эту лекцию. Ни за что на свете Хью Эверетт не пропустил бы эту возможность увидеть своего кумира. В 12 лет он написал Эйнштейну, адресовав ему вопрос, основывается ли Вселенная на случайной или упорядоченной структуре, и был весьма удивлен, получив вежливый ответ от самого Эйнштейна. После изучения химической технологии в течение первых двух лет в университете в Вашингтоне он провел последние шесть месяцев (с сентября 1953 г.) в Принстонском университете, где числился на кафедре математики. Однако на самом деле его интересовала теоретическая физика. В частности, с начала занятий в сентябре 1953 г. он посещал вводный курс по квантовой механике, который читал Роберт Дик.

Хью Эверетта поразили замечания Эйнштейна об очевидно неполном характере квантовой теории, предполагающей такое «туманное» описание Вселенной, которое, казалось, нуждается в присутствии живых существ, пусть даже это будет одна мышь, чтобы вызвать эффект, называемый приверженцами копенгагенской догмы «редукцией или коллапсом волнового пакета», т. е. переход от размытого мира в конкретный мир, который мы видим вокруг нас. Тогда он начал серьезно задумываться о физическом смысле формализма квантовой теории.

Несколько месяцев спустя в Высшем колледже во время вечеринки с большим количеством шерри между Хью Эвереттом, Чарли Мизнером и Оге Петерсоном (ассистентом Нильса Бора, который страстно интересовался проблемами, создаваемыми интерпретацией квантовой теории) состоялась оживленная дискуссия. В разгар беседы Хью набросал новую концептуальную схему для интерпретации квантовой теории, которая избегала как парадоксов, указанных Эйнштейном (и Шредингером), так и необходимости допущения таинственного случайного процесса коллапса волнового пакета. Эта гениальная идея, высказанная, когда ему было около 24 лет, легла в основу докторской диссертации Хью Эверетта, в которой он разработал революционную интерпретацию квантовой теории.

Эверетт обратился к Джону Уилеру (который был учеником и сотрудником Нильса Бора и также весьма интересовался квантовой теорией) и попросил его стать научным руководителем своей кандидатской диссертации. Уилер согласился. Для Эверетта это согласие привело к определенным проблемам. С одной стороны, Уилер был очень открыт для новых идей и всегда призывал своих студентов думать самостоятельно. С другой стороны, Бор с его принципом комплементарности являлся для Уилера непререкаемым авторитетом. Поэтому, признавая новаторский характер идей Эверетта, Уилер высказывал всевозможные возражения против формулировок этих идей. Например, в письме к Эверетту в сентябре 1955 г. Уилер указывал, что ему «было бы очень неудобно показать Бору текст диссертации в его настоящем виде», так как это может вызвать «неправильные толкования и домыслы» среди читателей, не являющихся экспертами. В конце концов, после настойчивых советов Уилера Эверетт сжал весьма объемный текст, в котором он детально развивал свои идеи, в гораздо более короткую версию, ставшую его кандидатской работой, защищенной в 1957 г. и опубликованной в том же году с отзывом Уилера.

Интерпретация квантовой теории Эверетта является одним из великих концептуальных достижений физики ХХ в. Автор этой книги считает, что она порадовала бы Эйнштейна (который умер, когда Эверетт только начал развивать свою идею). В самом деле, она не только дает новый ответ на парадокс мыши, созерцающей Вселенную, указанный Эйнштейном в его последней лекции, но и прекрасно сочетается с научной философией Эйнштейна, которую мы излагали выше. Напомним высказывание Эйнштейна, обращенное к Гейзенбергу («теория сама решает, что является наблюдаемым») и направившее последнего в сторону одного из главных концептуальных достижений в квантовой теории: соотношений неопределенностей. Как мы увидим, интерпретация Эверетта впервые принимает всерьез замечания Эйнштейна {159} .

Тем не менее, несмотря на новизну, а может быть, благодаря ей интерпретация Эверетта не вызвала большого интереса. До тех пор пока она не была переосмыслена благодаря усилиям физика-теоретика Брайса Девитта в 1970-х гг., ее полностью игнорировали даже признанные специалисты по истории развития квантовой механики (такие как Макс Джеммер). Это неприятие объясняется отчасти полным отсутствием интереса к идеям Эверетта со стороны самого Нильса Бора. Бор читал полную версию диссертации Эверетта и высказывал некоторые возражения. Весной 1959 г. по настоянию Уилера Эверетт пробыл в Копенгагене шесть недель, чтобы встретиться с Бором и обсудить с ним свою интерпретацию. У Эверетта остались очень плохие воспоминания об этой встрече. Бор не был заинтересован и не дал Эверетту возможности детально объяснить свои идеи {160} . В настоящее время, по данным недавнего опроса, проведенного по электронной почте, большинство физиков-теоретиков, интересующихся изучением космологии в рамках квантовой теории, используют интерпретацию Эверетта. На самом деле у них нет выбора. Как недавно написал Брайс Девитт, благодаря которому интерпретация Эверетта вышла из забвения:

«Интерпретация Эверетта была принята автором [Брайсом Девиттом] из простой практической необходимости: он не знает о существовании никакой иной. По крайней мере он не знает о существовании такой, которая не накладывала бы никаких искусственных ограничений или нечеткой метафизики, оставаясь при этом в состоянии обслуживать различные потребности квантовой космологии, мезоскопической квантовой физики и зарождающейся дисциплины квантовых вычислений» {161} .

В чем состоит основная идея интерпретации Эверетта? Чтобы изложить ее, напомним центральный парадокс квантовой теории в том виде, как он был описан в примерах с пороховой бочкой Эйнштейна (наполовину взорвавшейся, наполовину нетронутой) и котом Шредингера (наполовину живого, наполовину мертвого). Квантовая теория описывает систему, состоящую из кота и его окружения (коробки, в которой он находится, воздуха, которым он дышит, смертельного механизма, запускаемого радиоактивным атомом, и т. д.), посредством функции конфигурации. С каждой конфигурацией системы q связано (комплексное) число A (q), которое мы будем называть просто амплитудой конфигурации q. Что представляет собой конфигурация q, рассматриваемая в фиксированный момент времени t, и как она описывается? Например, можно было бы описать каждую возможную мгновенную конфигурацию кота и его окружения, указав положение в пространстве каждого из атомов {162} системы (атомов, из которых состоит кот, воздух, смертельный механизм и т. д.). Положение каждого атома определяется заданием трех его координат в пространстве (длина, ширина и высота). Обозначим число атомов в системе как N. Число N – гигантское. Напомним, что грамм вещества содержит около 600 тысяч миллиардов миллиардов (6 x 10^2^3) атомов. Таким образом, конфигурация всей системы определяется (гигантским) списком 3N чисел. Обозначение q указывает на такой список {163} .

Дорогой читатель, я чувствую, что вас может напугать перспектива рассмотрения величины A, зависящей от такого гигантского числа переменных. Тем более, что, как мы уже кратко отмечали, амплитуда A не обычное «действительное» число (как 2,5 или 3,1416), а комплексное число, которое, по существу, есть стрелка на плоскости, требующая для своего описания двух действительных чисел (например, длины стрелки и ее угла по отношению к направлению на восток). Чтобы наглядно продемонстрировать значение амплитуды A, мы можем использовать описание, введенное автором в предыдущей книге {164} . Оно состоит из используемой (мысленно) техники кинематографии.

Во-первых, каждая конфигурация системы q представляется фотографическим (голографическим {165} ) изображением системы в рассматриваемый момент времени. С каждым q, т. е. с каждым фотографическим изображением системы мы хотим ассоциировать определенную амплитуду A, задаваемую стрелкой на плоскости, которая имеет определенную длину и указывает в определенном направлении. С каждым направлением стрелки можно связать особый оттенок цвета на «цветовом круге»: например, мы связываем с направлением на восток (на географической карте) оранжевый цвет и затем, по мере изменения направления по часовой стрелке, изменяем цвет, проходя последовательно от оранжевого (восток) к красному (юго-восток), фиолетовому (юг), затем к индиго (юго-запад), синему (запад), сине-зеленому (северо-запад), зеленому (север) и, наконец, к желтому (северо-восток). При продолжении вращения стрелки с северо-востока на восток оттенок непрерывно изменяется от желтого к оранжевому, так что мы возвращаемся в исходное положение, разложив полный спектр оттенков по кругу. Мы уже говорили, что каждой амплитуде A соответствуют длина и направление. С длиной мы можем ассоциировать интенсивность света (низкую интенсивность, если стрелка короткая, и высокую, если стрелка длинная), а с направлением можно ассоциировать оттенок цвета (например, оранжевый). Таким образом, мы можем зафиксировать каждую комплексную амплитуду цветом, имеющим как конкретную интенсивность, так и конкретный оттенок: например, оранжевый высокой интенсивности, или красный средней интенсивности, или зеленый низкой интенсивности и т. д.

Давайте объединим эти два представления: пространственную конфигурацию системы с помощью фотографического изображения (изначально черно-белого) и амплитуду A, связанную с данной конфигурацией цвета (т. е. его интенсивностью и оттенком). Это дает нам фотографическое изображение, имеющее определенную интенсивность и определенный цветовой оттенок. Например, в данный момент живой кот со своим окружением представлен интенсивным синим изображением, а мертвый кот со своим окружением – красным изображением той же интенсивности. Теперь мы можем наложить эти два изображения с помощью кинематографической техники двойной экспозиции (рис. 12). Иначе говоря, мы печатаем в одном кадре два предыдущих изображения. Это наложенное изображение образов системы, окрашенных более или менее интенсивно, дает достаточно точное представление о математической концепции комплексной амплитуды A, зависящей от пространственной конфигурации q. Для завершения описания необходимо учесть также изменение момента времени t, в который мы рассматриваем систему. Таким образом, каждому моменту t соответствует кадр, являющийся наложенной экспозицией нескольких цветных изображений с большей или меньшей интенсивностью. Рассматривая все последовательные моменты, мы получим (непрерывную) серию (цветных и многократно наложенных) изображений, т. е. фильм в цвете с наложенными образами. Наконец, мы должны представить себе, что оттенок каждой конфигурации изменяется очень быстро, стремительно перемещаясь по цветовой окружности, как только конфигурация модифицируется, даже при бесконечно малом изменении (например, как только передвигается один из атомов конфигурации). Более того, даже в случае «статической съемки», когда конфигурация не изменяется вообще, мы должны представить себе, что ее оттенок очень быстро меняется со временем, вращаясь на высокой скорости по цветовой окружности (тогда как интенсивность цвета остается постоянной) {166} .