Начало бесконечности. Объяснения, которые меняют мир

Когда один из экземпляров фотона отражается от любого из зеркал, у него изменяется импульс, а значит, согласно закону сохранения импульса (который универсально выполняется, как в классической, так и в квантовой физике), импульс зеркала должен измениться на равную и противоположную величину. Поэтому кажется, что в каждом варианте истории после столкновения с фотоном одно зеркало, но не другое, должно вибрировать с немного большей или меньшей энергией. Такое изменение энергии могло бы указывать, по какому пути прошел фотон, и между зеркалами и фотоном возникла бы запутанность.

К счастью, этого не происходит. Напомню, что на достаточно детальном уровне то, что нам в первом приближении видится как один вариант истории для зеркала, пассивно пребывающего или слегка вибрирующего на опоре, на самом деле представляет собой огромное число историй, в которых экземпляры всех атомов постоянно расщепляются и воссоединяются. В частности, совокупная энергия зеркала принимает огромное число возможных значений в окрестности среднего, «классического». Но что же происходит, когда фотон ударяет по зеркалу, изменяя эту суммарную энергию на один квант?

На минуту упростив ситуацию до предела, представим себе всего пять из бесконечного числа экземпляров зеркала, причем у каждого из них своя энергия колебаний со значением в диапазоне от двух квантов ниже до двух квантов выше среднего. Каждый экземпляр фотона попадает на один экземпляр зеркала и сообщает ему один дополнительный квант энергии. Таким образом, после этого удара средняя энергия экземпляров зеркала увеличится на один квант, и теперь это будут экземпляры со значениями энергии от одного кванта ниже до трех квантов выше старого среднего. Но поскольку на этом уровне детализации не существует автономных историй, связанных с любым из этих значений энергии, не имеет смысла спрашивать, является ли экземпляр зеркала с конкретным значением энергии после удара тем же, что и тот, у которого раньше была такая энергия. Объективным является только тот физический факт, что из пяти экземпляров зеркала у четырех значения энергии те же, что были раньше, а у одного – нет. Значит, только он – тот, у которого энергия на три кванта выше, чем предыдущее среднее, – несет запись о столкновении с фотоном. А это означает, что только в одной пятой вселенных, в которых фотон ударился о зеркало, волна дифференциации дошла до зеркала, и только в них будет подавлена последующая интерференция между экземплярами этого фотона, которые столкнулись или не столкнулись с зеркалом.

В реальных цифрах это ближе к одному случаю из триллиона триллионов, а значит, вероятность подавления интерференции равна всего лишь одному из триллиона триллионов. Это значительно ниже, чем вероятность того, что эксперимент даст неточные результаты из-за неидеальных измерительных приборов или что он сорвется из-за удара молнии.

Теперь рассмотрим получение этого одного кванта энергии, чтобы понять, как такое дискретное изменение может случиться без всякого нарушения непрерывности. Рассмотрим простейший из возможных случаев: атом поглощает фотон вместе со всей его энергией. Эта передача энергии не является мгновенной. (Забудьте все, что читали о «квантовых скачках», – это все выдумки.) Есть много способов, как это может произойти, но самый простой из них следующий. В начале процесса атом находится (скажем) в своем «основном состоянии», в котором у его электронов наименьшая возможная энергия, допускаемая квантовой теорией. Это означает, что все его экземпляры (в рамках соответствующей крупнозернистой истории) обладают такой энергией. Допустим также, что они неотличимы. В конце процесса все экземпляры остаются неотличимыми, но теперь они находятся в «возбужденном состоянии» с одним дополнительным квантом энергии. Что представляет собой атом в середине процесса? Его экземпляры все еще остаются неотличимыми, но половина из них находится в основном, а половина – в возбужденном состоянии. Это как если бы непрерывно изменяемое количество денег постепенно переходило от одного дискретного владельца к другому.

Такой механизм постоянно встречается в квантовой физике и в общем случае за счет него переходы между дискретными состояниями осуществляются непрерывным образом. В классической физике «крохотный эффект» всегда означает очень малое изменение каких-либо измеримых величин. А в квантовой – физические переменные обычно дискретны и не могут претерпевать очень мало изменений. Поэтому тут «крохотный эффект» означает небольшое изменение в пропорциях различных дискретных свойств.

На фоне этого встает также вопрос, является ли само время непрерывной величиной. В рамках данного обсуждения я полагаю, что является. Однако квантовая механика времени еще до конца не понята и не будет понята, пока не появится квантовая теория гравитации (объединение квантовой теории с общей теорией относительности); и может оказаться, что все не так просто. Но в чем мы можем быть вполне уверены, так это в том, что в этой теории разные времена – это частный случай разных вселенных. Другими словами, время – явление, связанное с запутанностью, которое помещает все одинаковые показания часов (правильно подготовленных часов или любых объектов, которые можно использовать как часы) в одну и ту же историю. Первыми это поняли в 1983 году физики Дон Пейдж и Уильям Вутерс.

Какое продолжение будет у нашего научно-фантастического рассказа в этой полной версии квантовой мультивселенной? Практически все внимание, которое квантовая теория привлекла со стороны физиков, философов и авторов научно-фантастических произведений, сосредоточено на том, что касается параллельных вселенных. Это парадоксально, поскольку именно в приближении параллельных вселенных мир больше всего похож на тот, что рисует классическая физика, но в то же время именно этот аспект квантовой теории многие люди не могут интуитивно принять.

Фантастика может исследовать возможности, открываемые параллельными вселенными. Например, наш рассказ – о любви, поэтому герои вполне могут поинтересоваться судьбой своих двойников в других историях. В рассказе их размышления могут сравниваться с тем, что, как мы «знаем», случилось в других вариантах. Герой, неверность супруга которого открылась благодаря «случайному» событию, может заинтересоваться, не дает ли это ему хороший повод отделаться от брака, который и так обречен быть несчастным. Остались ли они вместе в той истории, в которой о неверности ничего не известно? Счастливы ли по-прежнему? Может ли счастье быть подлинным, если оно «основано на лжи»? Наблюдая за тем, как они рассуждают обо всем этом, мы видим историю, где они все еще женаты, и знаем (выдуманную) суть дела.

Они могут также размышлять и о не столь обыденных вопросах. В рассказе может говориться о том, что их солнце – часть скопления из десятков звезд и все они находятся внутри сферы радиусом в несколько световых недель. Это десятилетиями озадачивало их ученых, поскольку состав звезд показывает, что они происходят из разных мест, но стали гравитационно связанными в результате серии очень маловероятных совпадений. В большинстве вселенных, как подсчитали эти ученые, жизнь в таких плотных звездных скоплениях развиться не может, потому что там слишком много столкновений. Получается, что в большинстве вселенных, в которых есть люди, нет флота звездолетов, посещающих одну за другой обитаемые звездные системы. Они пытались найти механизм, благодаря которому соседство с ближайшими звездами каким-то образом могло бы ускорить появление разумной жизни, но им это не удалось. Следует ли им считать все это лишь астрономически маловероятным совпадением? Но ученым не нравится оставлять что-либо без объяснения. И они делают вывод, что нечто их выбрало. Так и было. Эти люди – не просто рассказ. Это реальные, живые и думающие люди, которые прямо сейчас спрашивают себя, откуда они взялись. Но они никогда этого не узнают. В этом одном отношении им не повезло: выбор на них пал действительно по совпадению. Или, говоря иным языком, они избраны самим рассказом о них, который я сейчас излагаю. Вся фантастика, которая не нарушает законов физики, – это факт.

Некоторые фантастические сюжеты, в которых законы физики кажутся нарушенными, тоже реализуются где-то в мультивселенной. Сюда входит тонкий вопрос о том, как структурирована мультивселенная – как появляются варианты истории. Каждая история почти автономна. Если я кипячу воду в чайнике и завариваю чай, я нахожусь в варианте истории, в котором я включил чайник, вода в нем постепенно нагревалась, потому что чайник передавал ей свою энергию, в итоге образовывались пузырьки и так далее, и в конце концов получился горячий чай. Это – история, потому что она позволяет давать объяснения и делать предсказания без всякого упоминания о существовании в мультивселенной других вариантов, где я решил сварить кофе, или о том, что на микроскопическое движение молекул воды немного влияют части мультивселенной, находящиеся вне этой истории. Для этого объяснения несущественно, что в ходе процесса от данной истории отщепляется малая мера, в которой делается что-то другое. В каком-то крошечном ответвлении чайник превращается в цилиндр, а вода – в кролика, который тут же убегает, а я в итоге остаюсь без чая и без кофе и пребываю в сильном недоумении. Это тоже история, но уже после превращения чайника. Однако никак нельзя корректно объяснить, что происходило в ходе превращения, или предсказать вероятности, не ссылаясь на другие части мультивселенной, гораздо более обширные (то есть с б'oльшими мерами), в которых нет кролика. Таким образом, этот вариант истории начался в момент превращения чайника, и его причинную связь с тем, что произошло до этого, нельзя выразить в терминах истории, а можно только в терминах мультивселенной.

В таких простых случаях, как этот, есть готовый приблизительный язык, на котором мы можем минимизировать упоминание оставшейся части мультивселенной: язык случайных событий. Это позволяет нам признать, что б'oльшая часть рассматриваемых высокоуровневых объектов ведет себя автономно, кроме тех случаев, когда на них влияет нечто внешнее по отношению к ним, как, например, кролик – на меня. Здесь проявляется своего рода непрерывность между новой историей и предыдущей, от которой она отделилась, и мы можем называть первую из них «историей, на которую повлияли случайные события». Однако в буквальном смысле этого никогда не происходило: часть этой «истории» до «случайного события» неотличима от остальной части более широкой истории – она не обладает отдельной идентичностью, и ее нельзя отдельно объяснить.