«Самое непостижимое в этом мире — это то, что он постижим», — сказал однажды знаменитый Альберт Эйнштейн. В наши дни, однако, далеко не все согласны с тем, что вселенная понятна или даже уникальна. Фундаментальная физика сталкивается с кризисом, связанным с двумя популярными концепциями, на которые часто ссылаются и называют «мультивселенной» и «страшленной» («multiverse» и «uglyverse» — множественная и уродливая вселенная).
Начиная с первых дней науки, обнаружение маловероятного совпадения побуждало к поиску скрытой причины этого. Один современный пример: законы физики, кажется, точно настроены, чтобы позволить существование разумных существ, которые могут открыть эти законы — совпадение, которое требует объяснения.
С появлением мультивселенной это изменилось: как бы маловероятно ни казалось совпадение, в миллиардах вселенных, составляющих мультивселенную, оно где-то будет существовать. И если совпадение способствует появлению сложных структур, таких как жизнь или сознания, мы даже не должны удивляться, обнаружив себя во вселенной, которая позволяет нам существовать в первую очередь. Но это «антропное рассуждение», в свою очередь, подразумевает, что мы больше не можем ничего предсказывать. Нет очевидного руководящего принципа для физиков ЦЕРН, ищущих новые частицы. И нет никакого фундаментального закона, который можно было бы обнаружить за случайными свойствами вселенной.
Совершенно иным, но не менее опасным является другой вызов — «страшленная»: по мнению физика-теоретика Сабины Хосенфельдер, современная физика была сбита с толку своим уклоном к «красоте», породив математически изящные, умозрительные фантазии без какого-либо взаимодействия с экспериментом. Физика «потерялась в математике», утверждает она. Но то, что физики называют «красотой» — это структуры и симметрии. Если мы больше не можем полагаться на такие концепции, разница между пониманием и простым соответствием экспериментальным данным будет размыта.
Обе проблемы имеют некоторое обоснование. «Почему законы природы должны заботиться о том, чтобы я находила их прекрасными?» — справедливо спрашивает Хосенфельдер, и ответ таков: они не должны. Конечно, природа может быть сложной, беспорядочной и непонятной — если она классическая. Но природа не такая. Природа является квантово-механической. И хотя классическая физика — это наука о нашей повседневной жизни, в которой объекты отделимы друг от друга, есть некоторые вещи, завязанные на квантовую механику. Например, состояние вашей машины не связано с цветом платья вашей жены. В квантовой механике, однако, вещи, которые когда-то были в контакте, остаются коррелированными (связанными) — Эйнштейн описал это как «пугающее действие на расстоянии». Такие корреляции составляют структуру, а структура — это красота.
Напротив, мультивселенную, кажется, трудно отрицать. Квантовая механика, кажется, крепко связана с ней. Выстрелы отдельными электронами по экрану с двумя щелями приводит к интерференционной картине (чередованию максимумов и минимумов) на детекторе за экраном. То есть оказывается, что фотон проходил через обе щели каждый раз:
Квантовая физика — это наука, стоящая за ядерными взрывами, смартфонами и столкновениями частиц, и она печально известна своими странностями, такими как кот Шредингера, существующий в подвешенном состоянии, будучи наполовину мертвым и наполовину живым. В квантовой механике различные реальности могут быть наложены друг на друга (такие как «частица здесь» и «частица там», или «кошка жива» и «кошка мертва») — как волны накладываются друг на друга на поверхности озера. Частица может находиться в состоянии «половина здесь и половина там». Это называется «суперпозицией», и для частиц или волн она вызывает интерференционные картины.
Первоначально разработанная для описания микроскопического мира, в последние годы было показано, что квантовая механика управляет все более крупными объектами, если они достаточно изолированы от окружающей среды. Однако почему-то наша повседневная жизнь, кажется, защищена от слишком большого количества квантовых странностей. Никто никогда не видел кота-нежити, и всякий раз, когда вы измеряете положение частицы, вы получаете определенный результат.
Прямая интерпретация предполагает, что все возможные варианты реализованы в разных параллельных реальностях или «ветвях Эверетта» — названных в честь Хью Эверетта, который первым отстаивал эту точку зрения, известную как «интерпретация многих миров» квантовой механики. «Многие миры» Эверетта на самом деле являются одним из четырех примеров мультивселенной. Три других не столь интересны, поскольку один на самом деле не мультивселенная, а скорее другая область в нашей собственной вселенной, а второй основан на весьма умозрительной идее о том, что материя — это не что иное, как математика. Оставшаяся мультивселенная — это «ландшафт теории струн», к которому мы вернемся позже.
Обращаясь к квантовой механике, чтобы оправдать красоту физики, кажется, что мы жертвуем уникальностью вселенной. Но этот вывод вытекает из поверхностного рассмотрения. Тут обычно пропускается то, что мультивселенная Эверетта не является фундаментальной — она эмерджентная, мнимая, как настаивает философ Дэвид Уоллес из Университета Южной Калифорнии.
Интерпретация эксперимента с котом Шредингера, использующая многомирную концепцию мультивселенной Эверетта.
Чтобы понять этот момент, нужно понять принцип, лежащий в основе как квантовых измерений, так и «пугающего действия на расстоянии». Главной для обоих явлений является концепция, известная как «запутанность», на которую указывали в 1935 году Эйнштейн, Борис Подольский и Натаниэль Розен: это явление в квантовой механике, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми (говоря простым языком: при надевании одного из двух одинаковых носков на левую ногу вы автоматически делаете второй носок правым). Запутывание — это естественный способ объединения частей в единое целое: отдельные свойства составляющих перестают существовать в пользу связанной общей системы.
Всякий раз, когда квантовая система измеряется или связана с окружающей средой, запутанность играет решающую роль: квантовая система, наблюдатель и остальная часть вселенной переплетаются друг с другом. С точки зрения местного наблюдателя информация рассеивается в неизвестной среде, и начинается процесс, называемый «декогеренция», впервые обнаруженный Хайнцом-Дитером Це в 1970 году. Декогеренция является агентом классичности: она описывает потерю квантовых свойств, когда квантовая система взаимодействует с окружающей средой. Декогеренция работает, если она играет роль застежки-молнии между параллельными реальностями квантовой физики. С точки зрения наблюдателя, вселенная «расщепляется» на отдельные ветви Эверетта. Наблюдатель видит живую или мертвую кошку — никаких промежуточных состояний. Мир выглядит классическим для него, в то время как с глобальной точки зрения он все еще квантово-механический. Фактически, с этой точки зрения вся вселенная является квантовым объектом.
Именно здесь на сцену выходит «квантовый монизм», отстаиваемый философом университета Ратгерса Джонатаном Шаффером. Шаффер размышлял над вопросом, из чего состоит вселенная. Согласно квантовому монизму, базовый слой реальности состоит не из частиц или струн, а из самой вселенной, понимаемой не как сумма вещей, составляющих ее, а скорее как единое запутанное квантовое состояние.
Подобные мысли были высказаны ранее, например, физиком и философом Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером: принятие квантовой механики всерьез предсказывает уникальную единую квантовую реальность, лежащую в основе мультивселенной. Однородность и крошечные колебания температуры космического микроволнового фона, которые указывают, что наша наблюдаемая вселенная может быть прослежена до единого первоначального квантового состояния, как раз поддерживают эту точку зрения.
Более того, этот вывод распространяется на другие мультивселенные концепции, такие как разные законы физики в различных долинах «ландшафта теории струн» или других «младенческих вселенных», возникающих в вечной космологической инфляции. Поскольку запутанность универсальна, она не останавливается на границе привычной нам вселенной. Какой бы у вас ни была мультивселенная, когда вы принимаете квантовый монизм, все вселенные являются частью единого целого: всегда существует более фундаментальный слой реальности, лежащий в основе вселенных внутри мультивселенной, и этот слой уникален.
И квантовый монизм, и многие миры Эверетта являются предсказаниями квантовой механики, воспринимаемой всерьез. Эти взгляды отличает только перспектива: то, что с точки зрения местного наблюдателя выглядит «многими мирами», в действительности же представляет собой единую уникальную вселенную с глобальной точки зрения (например, человека, который сможет взглянуть извне на всю вселенную).
Тени — это многие миры Эверетта, сама фигура — это вселенная.
Другими словами: многие миры — это то, как выглядит квантовый монизм для наблюдателя, который имеет только ограниченную информацию о вселенной. Фактически, первоначальная мотивация Эверетта заключалась в том, чтобы разработать квантовое описание всей вселенной в терминах «универсальной волновой функции». Это похоже на то, как если бы вы смотрели сквозь мутное стекло: природа выглядит разделенной на отдельные части, но это артефакт нашей точки зрения.
Можно избежать как монизма, так и многих миров Эверетта, но только тогда, когда кто-либо изменяет формализм квантовой механики — обычно способами, противоречащими специальной теории относительности Эйнштейна, или понимает квантовую механику не как теорию о природе, а как теорию о знании: гуманитарная концепция, а не наука.
В нынешнем виде квантовый монизм следует рассматривать в качестве ключевого понятия в современной физике: он объясняет, почему «красота», понимаемая как структура, корреляция и симметрия между внешне независимыми сферами природы, не является «непродуманным эстетическим идеалом», а следствием природы, происходящей из одного квантового состояния. Кроме того, квантовый монизм также убирает необходимость в мультивселенной, поскольку он предсказывает корреляции, реализованные не только в конкретной вселенной, но и в любой отдельной ветви мультивселенной.
Наконец, квантовый монизм решает кризис в экспериментальной фундаментальной физике, полагающейся на все более крупные коллайдеры для изучения все более и более мелких составляющих природы, просто поскольку самые мелкие составляющие не являются фундаментальным слоем реальности. Изучение основ квантовой механики, новых сфер квантовой теории поля или крупнейших структур в космологии может оказаться одинаково полезным.
Это не означает, что каждое наблюдаемое совпадение указывает на основы физики, или что любое понятие красоты должно быть реализовано в природе — но это говорит нам, что мы не должны прекращать искать. Как таковой, квантовый монизм обладает потенциалом для «спасения души физики»: убеждением в том, что существует уникальная, постижимая и фундаментальная реальность.