Вселенные: ступени бесконечностей

В момент наблюдения вы фиксируете некое определенное состояние частицы. Иными словами, выбираете из всех состояний одно-единственное. А что происходит с остальными?

Электрон — вот он, вы его зафиксировали, его состояние вам известно. Но волновая функция электрона говорит о том, что частица находилась еще и в состоянии 2, и в состоянии 3, и в состоянии 4, и еще во множестве других состояний — в таком их количестве, сколько решений имеет уравнение Шредингера, написанное для данной частицы.

Куда в момент наблюдения деваются все решения уравнения, кроме единственного? Нильс Бор и Вернер Гейзенберг утверждали, что, как только частица попадает в «объектив» наблюдателя, все решения уравнения (то есть, все состояния частицы!) коллапсируют, исчезают, остается единственное.

Такая интерпретация событий, происходящих в квантовом мире, получила название копенгагенской, по названию города, где работали Бор и Гейзенберг. Физиков-практиков копенгагенская интерпретация вполне устраивала, поскольку предсказания квантовой физики выполнялись идеально, на сто процентов. Были построены синхрофазотроны, коллайдеры, реакторы, открыты новые элементарные частицы. Расчеты атомной и водородной бомб невозможно было провести, не используя уравнение Шредингера.

На вопрос «что происходит?» копенгагенская интерпретация давала однозначный ответ. А вопрос «почему?» физики-экспериментаторы предпочитали не задавать — формулы работают, ну и ладно. Теоретики, которых интересовала философская глубина квантовой теории, вяло продолжали спорить еще полвека, не находя выхода из противоречия и соглашаясь с тем, что «да, это некрасиво, неправдоподобно, с чего бы волновой функции коллапсировать? Но… так устроен мир».

Альберт Эйнштейн говорил о двух критериях, определяющих хорошую теорию. Теория должна обладать внутренним совершенством (быть внутренне непротиворечивой) и иметь внешнее оправдание (соответствовать наблюдениям, эксперименту). Копенгагенская интерпретация квантовой физики полностью оправдывала себя внешне, но оставалась противоречивой внутренне.

Не очень многие читатели, особенно читатели-гуманитарии, понимают, насколько важна в физике красота предлагаемой теории. Любой хороший физик интуитивно понимает, верна ли теория, даже не вдаваясь в тщательное исследование ее плюсов и минусов. Достаточно понять идею и следствия, чтобы уловить незримую красоту, то, что Эйнштейн называл внутренним совершенством. Теория может правильно описывать известные экспериментальные или наблюдательные данные, но, если в ней не чувствуется внутренней красоты, то практически наверняка такая теория будет впоследствии теми же экспериментальными данными опровергнута — это не раз случалось в истории науки. Интуиция — казалось бы, недостаточно надежный критерий проверки истинности теории, но она очень редко подводила таких физиков, как Эйнштейн, Бор, Гейзенберг, а впоследствии — Зельдович, Хокинг, Линде, Журбин, Дорштейн и др.

Могут сказать, что интуиция, тем не менее, подвела Эйнштейна, когда он вступил в спор с Бором, пытаясь доказать противоречивость и неприемлемость квантовой теории. Однако такая мысль на самом деле слишком поверхностна. На самом деле интуиция и здесь Эйнштейна не подвела — он не терпел внутренней противоречивости квантовой физики, смотрел глубже своего оппонента и понимал, что для признания истинности квантовой механики и ее соответствия не только физической практике, но и физической философии, необходимо или отказаться от основ (что было неприемлемо, да и не нужно), или дополнить эти основы фундаментальным предположением, избавляющим квантовую теорию от присущих ей противоречий.

Поэтому не удивительно, что именно Эйнштейн, противник квантовой физики в ее тогдашних «одеждах», предложил (совместно со своими сотрудниками Борисом Подольским и Натаном Розеном) мысленный эксперимент, названный ЭПР-парадоксом. ЭПР-парадокс, по сути, стал переходной ступенью от одномирия копенгагенской интерпретации к многомирию по Эверетту. Важность этого парадокса была оценена много позднее, а интуиция создателя теории относительности еще раз оказалась на высоте положения.

В чем суть парадокса? Представьте, что вы физик-экспериментатор, и на своей установке заставили несколько элементарных частиц (для простоты возьмем всего две) войти во взаимодействие и создать систему. Предположим, что такая система в простейшем виде состоит из двух электронов. Электроны описываются статистикой Ферми, то есть, не могут, находясь в связанном друг с другом состоянии, иметь одинаковые квантовые числа. В простейшем примере — не могут иметь одинаковые моменты вращения, так называемые спины. Но спин электрона всего-то может принимать два квантованных значения: + 1/2 или — 1/2 . Значит, и в нашей системе спин одного электрона равен половинке, и тогда спин другого обязательно будет равен минус половинке. Если каким-то образом поменять спин первого электрона на противоположный, то одновременно изменится на противоположный и спин второго электрона. Теперь внимание. Мы берем второй электрон и относим его на расстояние метра от первого. Или на километр. Или на парсек. Можно и на миллиард парсек — в другую часть Вселенной. Конечно, для этого нужна масса времени, но эксперимент наш мысленный, и времени у нас сколько угодно. Итак, мы отправили второй электрон за миллиард парсек от первого, а затем изменили спин первого на противоположный (это и в обычном эксперименте делается очень просто, а в мысленном — подавно). Теоретически (если верна квантовая физика) в тот же момент второй электрон, находящийся на расстоянии многих парсеков от первого, тоже должен изменить свой спин на противоположный, поскольку система из этих двух электронов является связанной и описывается одной волновой функцией. Но как такое может произойти? Ведь существует теория относительности, запрещающая распространение каких бы то ни было сигналов быстрее скорости света. Каким образом второй электрон, будучи на расстоянии миллиарда парсек от первого, узнаёт о том, что должен изменить свой спин? А он это узнаёт — если справедлива квантовая физика и верно, что в связанных системах элементы этих систем описываются единой волновой функцией.

Вывод: или неверна теория относительности, или квантовая физика. Эйнштейн, естественно, был уверен в справедливости своей теории и потому сделал вывод: «неладно что-то в квантовом королевстве». Бор приводил свои контраргументы, пытаясь совместить, казалось бы, несовместимое, но полностью опровергнуть ЭПР-парадокс ему так и не удалось, и долгие годы этот мысленный эксперимент, проведенный Эйнтшейтном и его коллегами, торчал в квантовой теории, как гвоздь, наполовину забитый в крышку ее гроба. Наполовину, поскольку квантовая теория блестяще оправдывала себя на практике, и в гроб ее вогнать было невозможно, но, с другой стороны, квантовая теория, имея прекрасное внешнее оправдание, имела и жестокое внутреннее несовершенство, некое (и не единственное!) противоречие, из-за которого эту замечательную теорию нельзя было считать правильной.

Противоречие усугубилось в начале ХХI века, когда физики провели не мысленный уже, а множество вполне реальных экспериментов со связанными системами элементарных частиц и доказали, что правы были Эйнштейн, Подольский и Розен. Конечно, частицы в экспериментах разносили не на миллиард парсек, а на расстояние метров или километров друг от друга, но принципиальной сути опыта это не меняло. Получалось, что связанные (запутанные) элементарные частицы действительно мгновенно «чувствовали» изменение состояния друг друга (Riebe et al., 2004; Barrett et al, 2005, и др.)

Физики успокаивали себя тем, что передать осмысленный сигнал и какую бы то ни было информацию таким способом невозможно, и принцип относительности в этом эксперименте не нарушается, но, как говорится, «осадок остался». Что-то действительно было неладно в квантовом королевстве.

В противовес коллегам, полагающим, будто физики производят свои идеи исключительно, исходя из собственных физических теорий и собственного, сугубо естественно-научного, взгляда на мироздание, я считаю, что существует своего рода аналог ЭПР-парадокса, заключающийся в том, что в реальной жизни физика и литература (в самом общем понимании) также являются единой эстетической системой, и изменение состояния одной (например, появление новой литературной идеи) мгновенно (во всяком случае, по историческим меркам) отражается на состоянии другой системы (физики). И наоборот, разумеется.

Поэтому обратимся к ситуации, которая в годы борьбы идей в квантовой физике (двадцатые-сороковые годы ХХ века) складывалась в совершенно, казалось бы, иной области человеческой деятельности — литературе в целом и в такой конкретной области литературы, как научная фантастика.

История поразительная, поскольку в первой половине ХХ века квантовая физика (в ее теоретической ипостаси) была настолько «далека от народа», что нельзя утверждать, будто литературно-фантастические идеи того времени возникли у авторов в результате чтения и осмысления дискуссий между, например, Бором и Эйнштейном.

Тогда же возник «водораздел» между двумя понятиями, надолго запутавшими представления как о некоторых формах физических многомирий, так и о связи литературных идей с научными. Дело, в принципе, вот в чем. Как я уже говорил, античные и более поздние описания «иных миров» не имеют к физическому многомирию никакого отношения. Иной взгляд на многомирие, как утверждает Ступальский, возник в литературе в 1895 году, когда английский писатель Герберг Уэллс опубликовал небольшой рассказ «Дверь в стене». Отмечу, что Уэллс действительно является автором множества новых, интересных, перспективных с научной точки зрения, однако, по сути литературных идей — всем известны человек-невидимка, машина времени, кейворит, экраиирующий тяготение, и другие красивые фантастические идеи, которые в разное время, казалось, приобретали некую научную актуальность, но суровая реальность науки все-таки или отвергала выдвинутую идею из-за противоречий с физическими законами (кейворит, машина времени), или, если идея Уэллса и получала воплощение, то решительно не на тех принципах, о каких шла речь в литературном произведении (напр., невидимость). Я говорю это не в упрек замечательному фантасту Уэллсу, у него есть множество идей, действительно воплощенных в жизнь тем или иным способом (например, идея использования энергии атома, теплового луча, батисферы, саморазогревающихся консервов и пр.). Мое возражение относится к утверждению профессора Ступальского, некритически повторившему в своей монографии бытовавшее (в основном, среди литераторов) утверждение, что в небольшом рассказе «Дверь в стене» Уэллс впервые описал многомирие в его современном понимании. Отнюдь. О чем идет речь в рассказе? Открыв маленькую зеленую дверь в стене, герой рассказа попадает в прекрасный сад, где проживает замечательные часы своей жизни. При попытке вторично попасть в этот сад герой рассказа двери в стене не обнаруживает. В рассказе нет прямого указания на то, что «мир сада» — это другая вселенная, отличная от нашей. Возможно (такая трактовка не исключается текстом), приключение было всего лишь игрой воображения рассказчика. Но это скорее сугубо литературный символ другой, лучшей жизни. Да, в истории, рассказанной Уэллсом можно обнаружить элементы многомирия, однако это лишь элементы, и «Дверь в стене» можно считать первым произведением о многомирии лишь в той степени, в какой сказку о ковре-самолете можно считать предсказанием аппаратов тяжелее воздуха, а шапку-невидимку — литературным изобретением популярных в наши дни гаджетов, создающих квази-невидимость предметов.