Глава 14. Множественность квантовых миров

Нет ничего удивительного в том, чтобы в большом магазине готового платья подобрать костюм себе по плечу. Аналогично в великом множестве вселенных, в каждой из которых реализуется какой-то определенный набор космологических параметров, вполне может найтись хоть одна, где существуют предпосылки для возникновения жизни. В такой Вселенной мы и находимся.

М. Рис.

Наша космическая обитель

Во второй половине прошлого века спор о реальности квантового мира перешел в совершенно необычную плоскость обсуждения реальности одновременного существования множества различных вселенных. Несмотря на кажущуюся фантастичность (образ множества взаимопревращающихся миров действительно пришел из научно-фантастической литературы), эта идея быстро прижилась среди теоретиков.

Однако некоторые из них так до конца и не поверили в «шизоидность мироздания». В качестве примера можно привести известного британского астрофизика, лауреата премии М. Планка Виктора Вита. В одной из своих статей он писал:

Я до сих пор помню потрясение, которое испытал, впервые ознакомившись с теорией множественности миров. Идея о том, что каждое мгновение из меня появляется 10 в 100-й степени слегка отличающихся друг от друга двойников, и каждый из них продолжает беспрестанно делиться, пока не изменится до неузнаваемости, не укладывается в рамки здравого смысла. Вот уж поистине картина бесконечно прогрессирующей шизофрении.

Тем не менее с течением времени теория множественных вселенных получила дальнейшее развитие и термин «Мультиверс» вместе со своими аналогами (Мультимир, Мультиуниверсум, Мегамир, Метавселенная) замелькал в серьезных научных журналах. Сейчас уже многие теоретики полагают, что когда-нибудь в далеком будущем из подобной «научной фантастики» вполне может возникнуть новая наука о фундаментальной структуре мироздания.

Особенно часто концепция Мультивселенной рассматривается в космологическом аспекте как неотъемлемая часть окружающей реальности. Однако в физику идея многомирности впервые вошла в совершенно ином контексте парадоксальной интерпретации квантовой теории измерений, которую в 1957 году предложил аспирант знаменитого космолога и астрофизика Джона Уилера Хью Эверетт.

Эверетт обратился к анализу одного из основных принципов квантовой теории, согласно которому любой макроскопический измерительный прибор мгновенно «схлопывает» волновой вектор микрочастицы при ее наблюдении. Это явление называют коллапсом волновой функции, или редукцией волнового пакета. С точки зрения стандартной копенгагенской интерпретации измерение представляет собой взаимодействие квантового объекта с классической системой, в результате которого она переходит от одного состояния макроскопического детектора к другому. Если разместить в пространстве детекторы для определения параметров пучка квантовых микрообъектов, например электронов, то в определенный момент один из данных детекторов пошлет сигнал о поимке электрона. Это означает, что вероятность нахождения отслеживаемой частицы в этот момент в месте расположения детектора тут же превращается в единицу, тогда как вероятность ее появления в любом другом месте и в иное время сразу падает до нуля. Но если бы мы решили уравнение Шредингера до срабатывания детектора, то оказалось бы, что волновая функция непрерывно распределена во времени и пространстве.

Поэтому измерение и не должно описываться уравнением Шредингера, которое действует лишь для квантовых систем. Копенгагенская интерпретация принимает редукцию как объективную реальность квантового мира и строит на этом хорошо разработанный формальный аппарат расчетов поведения квантовомеханических объектов, дающий результаты, стопроцентно совпадающие с данными эксперимента.

Однако этот подход с самого начала не удовлетворял многих физиков, которые периодически предпринимали попытки так представить теорию квантовых измерений, чтобы она не нуждалась в редукционном постулате. В области многомировой интерпретации поиски ведутся с большой энергией и подчас дают весьма остроумные решения, весьма далекие от первоначальной концепции Эверетта. Общим для всех этих теорий является то, что коллапсионная редукция волновой функции просто не имеет места!

Согласно многомировой интерпретации существует бесконечное множество параллельных и равноправных «копий» нашего мира, воплощающих окружающую физическую реальность. Тогда волновая функция будет описывать единый квантовый Универсум, который представляет собой наложение бесконечного числа всех возможных состояний. В вышеприведенных экспериментах Универсум разбивается на классические «срезы», в которых и оперируют независимые наблюдатели. Любой возможный результат каждого конкретного измерения с разной степенью вероятности реализуется в той или другой из этих альтернативных мировых проекций.

В определенном смысле интерпретация Эверетта проще традиционной копенгагенской, поскольку обходится без загадочного и противоречивого коллапса волновой функции. Но за эту простоту приходится платить, допуская постоянное расслоение квантового Универсума на классические миры. Теория Эверетта парадоксальна, оригинальна и элегантна, но она не вводит новых физических объектов, существование которых можно было хотя бы косвенно подтвердить или опровергнуть на опыте. Более того, все физические расчеты, выполненные на основе стандартной квантовой механики и ее эвереттовской интерпретации, дают абсолютно одинаковые результаты.

Несмотря на то что статью Эверетта с его первоначальным вариантом многомировой интерпретации к опубликованию рекомендовал сам Бор, большинство физиков не приняло такую фантастическую идею. Ситуация изменилась только после того, как к ней проявили интерес такие крупные физики, как Брюс де Витт и Джон Уилер. Особенно много для популяризации новой теории сделал Уилер, именно после его работ термин «многомировая интерпретация Эверетта – Уилера» получила широкое распространение. Вообще-то такое название не точно и уже ввело в заблуждение множество журналистов, литераторов и философов, правильнее было бы говорить «многопроекционная интерпретация», однако менять что-то уже было поздно – терминология устоялась.

Согласно мысли Эверетта, при измерении какого-либо эффекта в микромире имеется столько миров, сколько возможно альтернативных результатов. В каждом из этих миров имеется и измеряемая система, и прибор, и наблюдатель. И состояние системы, и состояние прибора, и сознание наблюдателя в каждом из этих миров соответствует лишь одному результату измерения, но в разных мирах результаты измерения различны. Проще всего эту головокружительную картину можно понять на примере того же поляризованного фотона из опытов профессора Зайлингера. Если такой фотон проходит поляризатор, который отсеивает частицы только со строго одним направлением поляризации, то он оказывается в одном мире Эверетта – Уилера, а если не проходит, то в другом. Любопытная ситуация, не правда ли? Как здорово было бы реализовать в одном мире надоедливую тещу, в другом сварливую жену, в третьем оболтусов-студентов, а самому в четвертом (лучшем из миров) с приятелями-теоретиками обсуждать за кружкой пива хитросплетения Мультиверса, изредка (чтобы контролировать ситуацию) реализуясь в первых трех вселенных. Прекрасная, но, увы, судя по всему, абсолютно недостижимая мечта… Дело в том, что в интерпретации Эверетта проблема выбора результата измерения все же существует, она лишь иначе формулируется. Вместо основного вопроса квантовой физики: «Какой из возможных результатов реализуется в ходе процедуры измерения?» – возникает новая задача: «В каком из эвереттовских миров локализовалась лаборатория наблюдателя?». Так что ни управляющего воздействия на выбор мира, ни тем более связи между альтернативными вселенными не существует даже в теории, а жаль…

Несмотря на шокирующую экзотику построений Эверетта – Уилера, сама по себе гипотеза множественных вселенных оказалась довольно продуктивной, вызвав еще один поток работ в области квантовой космологии. В их основе лежит удивительная модель инфляционного Большого взрыва. Согласно инфляционному сценарию, наш мир родился из неизвестно чего под названием «космологическая сингулярность» (иногда, чтобы поставить на место излишне любопытствующих об этом совершенно непонятном состоянии материи, ученые весомо добавляют: «Это была квантовая космологическая сингулярность!»). По истечении 10^–43 секунды постсингулярного развития Вселенная «приобрела свое тело», мгновенно расширившись до наблюдаемых размеров. Это кратковременное сверхбыстрое (инфляционное) расширение и дало название данной теории. Что же «сдетонировало» в ходе Большого взрыва, породившего наш мир?

Железнодорожная аналогия Уилера

В свое время Уилер предложил оригинальный образ многомировой модели, получивший название «железнодорожная аналогия». Он представил, что в момент квантового измерения перед наблюдателем как бы оказывается железнодорожная стрелка и его поезд может пойти в одном из нескольких направлений. В зависимости от того, в каком направлении пойдет поезд, наблюдатель увидит тот или иной результат измерения. Возможные направления движения поезда соответствуют альтернативным результатам измерения или различным эвереттовским мирам.

Приверженцы инфляционной теории раздувающейся Вселенной во главе с нашим бывшим соотечественником А. Д. Линде считают, что на изначальном этапе существовал только физический вакуум, пронизанный неким первичным полем, параметры которого сильно менялись из-за квантовых флуктуаций, «вспенивающих» изначальное пространство – время. Квантовая флуктуация – это неопределенность параметров какого-то процесса, его «размазанность», и если одна из таких флуктуаций достигнет надкритического размера («размытость» параметра пересечет своим краем некоторую критическую границу), это может привести к острому локальному экстремуму (вспоминаем школьную математику!) интенсивности поля. Этот полевой «подскок» параметров и может создать условия для выхода на инфляционный режим. В итоге возникает молниеносно расширяющийся пузырек – зародыш нашей Вселенной, за невообразимо малый «квантовый» срок заполняющий как минимум объем Метагалактики.

Так, по крайней мере умозрительно, рождается вселенская сцена, на которой материя и энергия по тщательно и не очень выписанным сценариям теорфизиков-космологов начинают разыгрывать грандиозный спектакль под названием «Наша физическая реальность»! Тут надо заметить, что режущее вначале слух слово «сценарий» ученые, работающие в области космологии – науки о Вселенной в целом, любят применять к любым «глобальным» процессам, ведь все же приятно хоть изредка чувствовать себя этаким всемогущим демиургом – сверхъестественным существом, создающим иные миры!

Структура нашего мира

Большинство современных космологов считает, что судьба нашей Вселенной решалась в первые секунды после Большого взрыва в балансе плотности вещества и энергии. Преобладание энергии на ничтожные доли процента привело бы к быстрому раздуванию и охлаждению, а вещества к скорой смене расширения на сжатие в точку и, возможно, новому взрыву. Вид нашей Вселенной также определила ядерная сила связи протонов с нейтронами. Если бы она была меньше существующей, атомные ядра просто бы не возникли, а если больше, то еще на стадии первичного синтеза атомных ядер (нуклеосинтеза) практически весь наличный водород превратился бы в гелий, и наша водородная Вселенная имела бы гелиевое лицо. Не совсем понятную, но, несомненно, очень важную роль играет в эволюции нашего мира скрытая «темная энергия» физического вакуума.

По неизвестным причинам около семи миллиардов лет назад она сдвинулась от нуля к положительному значению, из-за чего Метагалактика начала ускоренно расширяться.

Хотя в квантовой инфляционной космологии еще очень много белых пятен, да и сам по себе механизм инфляции малопонятен, теоретики уже разработали инновационный сценарий вечной инфляции. Эта парадоксальная концепция предполагает, что квантовые флуктуации, подобные той, которая, возможно, положила начало нашей Вселенной, не исчезли в первые мгновения Большого взрыва, а продолжают самопроизвольно возникать, порождая все новые и новые миры. Не исключено, что и наша Вселенная сформировалась подобным образом в мире-предшественнике. Точно так же можно допустить, что и в нашем мире возникнет флуктуация, которая разовьется в новую вселенную, может быть, даже с иными физическими законами и структурой пространства – времени, тоже впоследствии способную к космологической «редубликации». Конечно же, в подобных сценариях очень много загадок, так, не совсем ясна роль энергии вакуума (а эту загадочную «пустую» субстанцию теоретики мысленно буквально пересытили энергией!). Существуют предположения, что именно энергия вакуума определяет структуру космической материи. Будь она немного ближе к нулю, Вселенная так бы и осталась безжизненной и бесформенной смесью газа и пыли, равномерно распределенной по космическому пространству. В противном случае, чем больше была бы величина темной энергии, тем быстрее первичное вещество сконденсировалось в массивные галактики, которые давным-давно сколлапсировались бы в черные дыры.

Любопытно, что сценарий непрерывно рождающегося инф ляционного мира позволяет совершенно по-иному взглянуть на вероятность зарождения жизни. Эта величина по мере продвижения вперед исследований в области молекулярной биологии и генетики все более приобретает поистине отрицательное астрономическое значение. Сложность до сих пор не найденного «механизма запуска» жизненных процессов позволяет считать, что даже действия всех возможных факторов на протяжении эволюции нашей Вселенной (после образования первых звезд) может не хватить для его реализации. Однако наличие практически бесконечного количества разнообразных миров коренным образом меняет ситуацию. Естественно, что многие миры Мультиверса могут быть абсолютно безжизненны, например, если в них будут иные фундаментальные физические константы, не способствующие развитию жизненных процессов. Среди таких постоянных важнейшими могут быть гравитационная константа и размерность пространства. Если бы гравитация была слабее, первичные газопылевые туманности не могли бы конденсироваться в плотные скопления вещества, дающие начало звездам; в противном случае звезды сгорали бы так быстро, что жизнь не успела бы возникнуть. Для размерности пространства вряд ли надо доказывать, что ни двумерное, ни тем более одномерное пространство не могут вмещать биомолекулы. С другой стороны, в четырехмерном пространстве и пространствах более высоких размерностей были бы невозможны стабильные планетные орбиты, определяющие космические «зоны жизни».

Конечно, все эти соображения основаны на предположении, что жизнь возникает лишь в привычных для нас формах, но ведь других мы не знаем. Можно, конечно, вспомнить знаменитые научно-фантастические романы «Солярис» Станислава Лема и «Облако» Фреда Хойла и порассуждать о мыслящем поле или разумной плазме, но вряд ли стоит прибегать к таким аргументам без достаточных оснований. Иначе говоря, наш мир таков, каков есть, не потому, что его так спроектировали неведомые высшие силы, а просто в силу действия закона больших чисел. Перебор такого стремящегося к бесконечности количества вариантов обязательно приведет к возникновению жизни и разума. Ну а когда-нибудь сверхцивилизации будущего могут найти и способ связи через барьеры пространства – времени иных измерений.

Существует и еще более фантастическая гипотеза, согласно которой нить жизни может теряться в глубине прошлого Мультиуниверсума, возникнув на протяжении сотен миллиардов лет из случайных факторов, а вот ее споры могли бы уже передаваться каким-то чудесным образом из одного мира в другой, достигнув в конце концов и нашей Вселенной. Впрочем, здесь мы уже давно покинули зону научных спекуляций (так называются беспочвенные теоретизирования), прошли этап научной фантастики и вступили в область ненаучного фантазирования…

Ну, а подытожить головокружительное жизнеописание нашего мира поможет отрывок из «Краткой истории времени от Большого взрыва до черных дыр» Стивена Хокинга, где он рассказывает, что попытки построить модель Вселенной, в которой множество разных начальных конфигураций могло бы развиться во что-нибудь вроде нашей нынешней Вселенной, привели Алана Гута, ученого из Массачусетского технологического института, к предположению о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас. Гут рассчитал, что радиус Вселенной увеличивался в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью нулями) раз всего за крошечную долю секунды.

Гут высказал предположение, что Вселенная возникла в результате взрыва в очень горячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, что частицы во Вселенной должны были очень быстро двигаться и иметь большие энергии. Как уже говорилось, при таких высоких температурах сильные и слабые ядерные силы и электромагнитная сила должны были все объединиться в одну. По мере расширения Вселенной она охлаждалась, и энергии частиц уменьшались. В конце концов должен был бы произойти так называемый фазовый переход, и симметрия сил была бы нарушена: сильное взаимодействие начало бы отличаться от слабого и электромагнитного. Известный пример фазового перехода – замерзание воды при охлаждении. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во всех точках и во всех направлениях. Образующиеся же кристаллы льда имеют определенные положения и выстраиваются в некотором направлении. В результате симметрия воды нарушается.

Если охлаждать воду очень осторожно, то ее можно «переохладить», т. е. охладить ниже точки замерзания (0^о Цельсия) без образования льда. Гут предположил, что Вселенная могла себя вести похожим образом: ее температура могла упасть ниже критического значения без нарушения симметрии сил. Если бы это произошло, то Вселенная оказалась бы в нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту, которую она имела бы при нарушении симметрии. Можно показать, что эта особая дополнительная энергия производит антигравитационное действие аналогично космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь построить статическую модель Вселенной. Поскольку, как и в горячей модели Большого взрыва, Вселенная уже вращалась, отталкивание, вносимое космологической постоянной, заставило бы Вселенную расширяться со все возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где число частиц вещества превышало среднее значение, гравитационное притяжение материи было бы меньше отталкивания, вносимого эффективной космологической постоянной. Следовательно, такие области должны были тоже расширяться с ускорением, характерным для модели раздувающейся Вселенной. По мере расширения частицы материи расходились бы все дальше друг от друга, и в конце концов расширяющаяся Вселенная оказалась бы почти без частиц, но все еще в переохлажденном состоянии. В результате расширения все неоднородности во Вселенной должны были просто сгладиться, как разглаживаются при надувании морщины на резиновом шарике. Следовательно, нынешнее гладкое и однородное состояние Вселенной могло развиться из большого числа разных неоднородных начальных состояний.

Разумеется, вполне естественно было бы считать, что в нашем ускоренно расширяющемся мире свету хватило бы времени для перехода из одной области ранней Вселенной в другую. В то же время расширением Вселенной можно было бы объяснить, почему в ней так много вещества и откуда оно взялось. Здесь просто надо принять как должное, что вокруг нас в диалектическом круговороте материи и энергии постоянно происходят взаимные переходы этих двух основных физических сущностей мироздания. Вот и в микромире частицы могут рождаться в переходах. При этом любопытно, как современная физика объясняет временно возникающий энергетический дефицит. В частности, Хокинг рассуждает, что полная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного нуля в каком-то смысле отрицательна…

Так ученый постепенно подводит нас к мысли, что, поскольку дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии вещества во Вселенной может удвоиться одновременно с удвоением отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселенной, в которой плотность энергии вещества уменьшается по мере увеличения размеров Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потому что в этом случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденного состояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся, положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже удвоятся, в результате чего полная энергия остается равной нулю. В фазе раздувания размеры Вселенной очень сильно возрастают. Следовательно, общее количество энергии, за счет которой могут образовываться частицы, тоже сильно увеличивается. Гут по этому поводу заметил: «Говорят, что не бывает скатерти-самобранки. А не вечная ли самобранка сама Вселенная?»