Ни один из вариантов объяснения квантовых измерений не идеален. Одно из убедительных критических замечаний в адрес ММИ заключается в том, что она не объясняет так называемое правило Борна. Это способ делать предсказания в квантовой механике, предложенный Максом Борном в 1926 году. Для любой наблюдаемой величины – координаты, импульса, спина или другой – теоретики могут определить вероятность конкретных исходов, описав квантовое состояние системы в соответствующем базисе и вычислив весовые коэффициенты ее собственных состояний. Искомые вероятности оказываются квадратами этих весов.
В любой схеме квантовых измерений, включающей коллапс, такие предсказания можно проверить, проведя множество испытаний и зафиксировав частоту каждого исхода. Например, по волновой функции электрона, запертого в коробке шириной один сантиметр, можно вычислить вероятность того, что он окажется на расстоянии менее одного миллиметра от левой стенки коробки. Предположим, что вычисленная вероятность составляет 10 %. Это означает, что в одном из десяти экспериментов с определением положения электрона при прочих равных условиях он окажется в этом миллиметровом слое.
Однако для выполнения правила Борна в ММИ есть два серьезных препятствия. Первое заключается в том, что проблема предпочтительного базиса не имеет естественного решения. Ничто не гарантирует, что при измерении положения реальность расщепится в соответствии с компонентами координатного базиса, а не, скажем, импульсного. Во-вторых, даже если расщепление каким-то образом произойдет в соответствии с компонентами нужного базиса, нет никакого практического способа проверить, что шансы оказаться в определенной ветви соответствуют предсказаниям правила Борна.
Если шансы 50 на 50, как, например, в парадоксе кота Шрёдингера, и Вселенная разделится на реальности с двумя разными исходами, нам придется представить себе наблюдателей-близнецов с противоположным опытом и воспоминаниями. Ни один из них не смог бы удостовериться в наличии почти такого же двойника, наблюдавшего противоположный результат, чем подтверждалось бы предсказание правила Борна о равных шансах. Все они знают, что может существовать целая армия почти идентичных клонов с иным опытом. Но проверить это напрямую они не могут.
Хотя такое расщепление выглядит странно, оно по крайней мере представляет собой почти точное дублирование, как при делении клетки. Ситуация меняется, когда речь идет о квантовых процессах с непрерывным распределением вероятностей, охватывающим широкий спектр возможных исходов. Простой подсчет ветвей не обязательно даст правильную оценку вероятностей. Например, простое раздвоение на равновероятные ветви будет соответствовать шансам 50 на 50. Но если вы измеряете положение электрона в коробке, то одна из десяти отслеженных вами копий окажется в пределах миллиметрового расстояния, а девять из десяти копий – вне его. А теперь допустим, что вероятность некоторого исхода, рассчитанная по правилу Борна, оказалась равна одной триллионной. Получается, что существует триллион копий наблюдателя, среди которых все, кроме одной, согласны друг с другом. Такое построение кажется довольно искусственным. А ведь так должно происходить с каждым квантовым измерением за всю историю человечества. Как могли бы мы подтвердить реальность столь сложной схемы репликации, учитывая отсутствие связи между мирами – ее побочными продуктами?
Решение сложных вопросов, связанных с применением правила Борна к ММИ, стало постоянной проблемой для физиков и философов, изучающих квантовую теорию измерений. Одно направление, начатое Дойчем и развитое философом науки Дэвидом Уоллесом из Питтсбургского университета (который начал работать над этой темой еще в Оксфорде), предлагает применять теорию принятия решений для присвоения веса различным ветвям. В этой теории утверждается, что рациональные люди, принимающие решения и знающие физику, которые делают ставки на исход эксперимента, с уверенностью предложат прогнозы, соответствующие распределению вероятностей, вытекающему из правила Борна. Таким образом, чтобы убедиться в справедливости правила Борна, не нужно многократно проводить эксперимент, фиксировать частоту различных исходов и сопоставлять вероятности с этими частотами. Достаточно попросить группу рационально мыслящих людей сделать обоснованные ставки на результаты эксперимента ради последующего вознаграждения. Ставки будут четко соответствовать распределению вероятностей, заданному правилом Борна, без обращения к случайности и частоте.
Решая дилемму предпочтительного базиса, Уоллес выдвинул оригинальную идею, основанную на философской концепции эмерджентности. В философии эмерджентность описывает возникновение крупномасштабных свойств из внешне беспорядочного множества микроскопических составляющих, ни одна из которых этими свойствами не обладает. Например, художник может изобразить Мону Лизу на бетонной стене с помощью аэрозольной краски, выложить ее на пляже разноцветным песком или составить на экране компьютера из пикселей. В каждом случае, если предположить, что художник обладает мастерством, мы сразу же узнаем шедевр Леонардо, но, скорее всего, никогда не догадаемся об этом, анализируя отдельные пятна краски, песчинки или пиксели. Подобным же образом, предположил Уоллес, квантовые состояния раскладываются по различным базисам, порождая все многообразие миров. И лишь благодаря эмерджентности в этой мешанине эволюционирующих смешанных состояний мы различаем классические ньютоновские траектории.
За остроумной аналогией Уоллес обращается к царству животных. «Рассмотрим тигров, – пишет он, – которые (я так понимаю!) неоспоримо реальные, объективные физические сущности, хотя Стандартная модель содержит кварки, электроны и тому подобное, но не тигров. Вместо этого тигров следует понимать как паттерны, или структуры, возникающие в рамках состояний этой микрофизической теории»[75].
Соответственно, рассуждает Уоллес, хотя квантовый мир реален, независим и разнообразен, постичь все его компоненты невозможно. Опыт скорее подталкивает нас к изучению эмерджентных свойств, таких как наиболее вероятные пути в пространстве, обеспечивающие единство, которого мы ждем от материального мира.
Оксфордский философ Саймон Сондерс предлагает несколько иной способ решения проблемы предпочтительного базиса и правила Борна в ММИ. Он обращается к теории декогеренции, а также к приемам, заимствованным из статистической физики и развитым Людвигом Больцманом в XIX столетии. Сондерс утверждает, что теория декогеренции достаточно мощна, чтобы порождать ветвящуюся структуру, которая совпадает с ожидаемыми базисами в определенных экспериментах – например с базисом квантового спина (одни ветви со спином вверх, другие – со спином вниз) для поведения электрона в магнитном поле. Следуя подходу Больцмана, который подсчитывает количество микросостояний[76] (типов поведения на атомном уровне), Сондерс разрабатывает способ подсчета ветвей. Для этого он определяет количество микросостояний, соответствующих определенным требованиям – например средней кинетической энергии. Эти микросостояния характеризуют макросостояние, которое описывается такими обычными параметрами, как температура и давление. Таким образом, Сондерс объединяет ветви по сходству их общих характеристик в макросостояния. В результате получается статистический способ воспроизведения правила Борна[77].
Однако до тех пор, пока в нейронауке не появится полная модель возникновения осознанного субъективного опыта, конечный этап квантовых измерений – мысленная регистрация определенных результатов в контексте субъективного восприятия реальности – будет оставаться загадкой. И копенгагенская интерпретация, и ММИ имеют общую ахиллесову пяту в своих подходах к работе разума. В первом случае сознательное наблюдение вызывает коллапс, а во втором измерение приводит к расщеплению сознающих наблюдателей на близкие копии. Таким образом, их субъективный сознательный опыт разделяется несколькими версиями одного и того же человека в параллельных реальностях, каждая из которых считает себя настоящей. Проблема в том, что, как отмечают многие теоретики, мы по-прежнему не понимаем, что такое сознание. Определить самосознание невероятно сложно – можно только сказать, что каждый знает, что оно у него есть, и, соответственно, предполагает, что оно есть и у других. Поэтому остается неясным, какова точная связь разума (проводника свободы воли) с физическим миром.
Человеческий мозг состоит из атомов, которые, согласно теории декогеренции, могут запутываться с объектом измерения. В результате у тех, кто это измерение проводит, не будет очевидной причины наблюдать конкретные результаты, а не смесь состояний. Другими словами, вместо того чтобы стать независимыми наблюдателями отдельных вариантов, которые фиксируются в экспериментах, они окажутся физически вплетенными в квантовую неопределенность волновой функции и будут ощущать лишь размытость.
Чтобы исправить эту ситуацию, Х. Дитер Цех предложил интерпретацию, которая стала известна как теория множественности разумов. Учитывая, что наука до сих пор не до конца понимает, как сознательное существование связано с работой мозга, он допускал, что ветвление Эверетта происходит в виде почти точных копий разумов, а не людей. Следовательно, классическое представление о единичном измерении, а не о множестве возможностей – это ментальное событие, похожее на пробуждение после сна и осознание, что это был сон. Наш разум постоянно отсеивает шум, сталкиваясь с потоком сенсорной информации. Возможно, параллельные ментальные состояния, каждое из которых дает однозначный результат, служат способом обработки квантового хаоса.
В противоположность таким идеям, вытекающим из концепции Эверетта, несколько групп исследователей попытались расширить теорию декогеренции, разработав физические модели коллапса квантовых состояний. Эти модели, известные как модели спонтанной локализации, основываются на взаимодействии квантовой системы с ее окружением. Основная идея заключается в том, что взаимодействие с окружающей средой в сочетании с гипотетическим механизмом усиления, который превращает легкие воздействия в сильные толчки, быстро превратит квантовое состояние со смесью возможностей в единственный вариант, не требуя участия наблюдателей. Первое такое предложение, «Унифицированная динамика для микроскопических и макроскопических систем», основанное на накоплении случайных связей между частицами и их окружением, было опубликовано в 1986 году итальянскими физиками Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебером. За ним последовало родственное предложение, представленное американским физиком Филипом Перлом в 1989 году и получившее дальнейшее развитие при участии Гирарди и Римини. В том же году Лайош Диоши предложил метод, основывающийся на слабых гравитационных эффектах, а в 1996 году аналогичную идею независимо высказал Роджер Пенроуз.
Большинство механизмов редукции сосредоточены на локализации координат и других параметров, используемых как в классической, так и в квантовой физике. Но как быть с чисто квантовыми явлениями, такими как изменения поляризации или спина, из-за различий в том, что подвергается измерению? Объяснить такое поведение с помощью механизмов динамической редукции – непростая задача. Очевидное преимущество ММИ – ее гибкость, позволяющая рассматривать каждую жизнеспособную альтернативу как отдельную ветвь универсальной волновой функции. Не нужно придумывать физический механизм коллапса, потому что нет самого коллапса.
Несомненно, современная физика стоит перед сложной дилеммой. Обычный мир постоянно дает нам точные результаты. Нажмите кнопку на панели лифта, и он прибудет на конкретный этаж. Бросьте шар для боулинга, и он либо собьет определенное количество кеглей, либо упадет в желоб, что в основном зависит от его начальной скорости и направления. Даже многие события, которые кажутся случайными, имеют предсказуемый результат. Раскрутите колесо рулетки, и на нем выпадет определенное число, которое можно было бы предугадать, учитывая начальное состояние, скорость вращения, условия эксплуатации рулетки и так далее.
С другой стороны, квантовый мир похож на отель Гильберта, в котором множество комнат с закрытыми дверями. Если сделать особый запрос, одна из этих дверей откроется, и появится ее обитатель – единичный результат. Может ли быть некая динамическая причина, по которой открывается одна и только одна дверь? Или к такому результату приводит процесс осознанного наблюдения?
А может быть, почти идентичные версии нас самих (или, возможно, только нашего разума) посещают каждую из множества таких комнат в квантовом отеле Гильберта? В этом грандиозном здании у нас нет никаких ограничений, но мы просто не осознаем этого из-за ограниченности нашего сознательного опыта. Если это так, то, перефразируя известный отрывок из Шекспира, можно сказать: как род людской репликативен в прекрасной нашей мультивселенной![78]
Многие из тех, кто с недоверием относится к идеям Эверетта, продолжают возлагать надежды на спонтанную локализацию или другие правдоподобные механизмы коллапса. По крайней мере, ему следует отдать должное за то, что растревожил истеблишмент и расчистил место для идей, конкурирующих с копенгагенской интерпретацией, которые не сводятся лишь к бесплодными поискам скрытых переменных.
Помимо решения непростой проблемы квантовых измерений есть еще множество причин обратить внимание на концепцию мультивселенной. Объясняя, почему наблюдаемая Вселенная обладает особенно благоприятными условиями для появления стабильных звезд, пригодных для жизни планет и в конечном счете таких разумных существ, как мы, полезно рассмотреть альтернативные варианты. Один из способов анализа таких альтернативных возможностей – принять концепцию мультивселенной, состоящей из конкурирующих реальностей, одни из которых более пригодны для жизни, чем другие. Выражаясь осторожнее, можно попытаться найти динамические причины нынешнего состояния Вселенной, например механизм, связанный со свойствами общей теории относительности и ее космологическими решениями. Принцип парсимонии[79] предполагает, что нужно поискать возможные объяснения в пределах нашей собственной Вселенной, прежде чем совершать концептуальный скачок и предполагать существование других.
На самом деле в конце 1960‐х годов такие теоретики, как Мизнер, пытались найти убедительное объяснение, почему среди всех возможных космологических решений общей теории относительности наша Вселенная оказалась такой упорядоченной. Сосредоточившись на конкретной модели, которую он назвал Вселенной Миксмастера[80], он надеялся показать, как даже полный хаос в начале существования Вселенной сглаживается и приходит к однородному распределению небесных объектов, которые мы наблюдаем сегодня. Физик Роберт Х. «Боб» Дикке, еще один принстонский новатор, попытался модифицировать саму общую теорию относительности, заменив ее теорией с изменяющимся параметром силы гравитационного взаимодействия[81], и все это ради той же цели – объяснить, почему Вселенная такая, какая она есть. Однако Дикке также признавал, что важно рассматривать наше собственное существование как инструмент отсеивания неподходящих возможностей. С подачи Брэндона Картера эта идея стала известна как антропный принцип. Одна из его версий – сильный антропный принцип – предполагает отбор среди конкурентов в мультивселенной. Картер признал, что, формулируя эту идею, он имел в виду ММИ. Для него обращение к понятию мультивселенной – вполне разумный «план Б», когда попытки динамического объяснения в рамках одной Вселенной (например, модель Миксмастера), терпят неудачу.