Автор оригинала: Paul Sutter. Перевод – Вячеслав Голованов. В некоторых интерпретациях квантовой механики вся наша Вселенная описывается одной универсальной волновой функцией, которая постоянно расщепляется и множится, порождая новые реальности для всех возможных квантовых взаимодействий. Утверждение довольно смелое. Как же мы к нему пришли?

В самом начале квантовой механики у учёных родилось понимание того, что у материи есть волновые свойства. Первым это предположил Луи Де Бройль, утверждавший, что с каждой субатомной частицей ассоциируется волна – как и у света, который может вести себя и как частицы, и как волны.

Другие физики вскоре подтвердили эту радикальную для своего времени идею, в частности в экспериментах, в которых электроны рассеивались в тонкой фольге перед тем, как попасть в мишень. Рассеивание электронов больше походило на волны, чем на поведение частиц. Тогда возник вопрос: а какова по сути волна материи? Как она выглядит?

Ранние теоретики квантовой физики, к примеру, Эрвин Шрёдингер, считали, что сами частицы размазаны в пространстве в виде волн. Он разработал своё знаменитое уравнение для описания поведения таких волн – и это уравнение используют до сих пор. Однако идея Шрёдингера не выдержала дальнейших экспериментов. Даже если электрон вёл себя как волна в полёте, при достижении мишени он соударялся с ней как единая компактная частица – то есть, по пространству он не размазывался.

Начала появляться альтернативная интерпретация квантовой механики. Сегодня мы называем её копенгагенской интерпретацией, и это наиболее популярная интерпретация среди физиков. В данной модели волновая функция – так называют волновое свойство материи – на самом деле не существует. Это просто удобный математический способ описания облака квантово-механических вероятностей того, где мы найдём субатомную частицу в следующий раз, когда отправимся её искать.

Цепочка запутанностей

Однако у копенгагенской интерпретации было выявлено несколько проблем. Как указывал сам Шрёдингер, непонятно, каким образом волновая функция переходит от состояния облака вероятностей до её измерения к состоянию несуществования в момент измерения.

Возможно, волновая функция – понятие более осмысленное. Возможно, она настолько же реальна, как и сами частицы. Эту идею первым предложил де Бройль, однако в итоге он тоже перешёл в лагерь копенгагенцев. Позднее другие физики, в частности, Хью Эверетт, также рассматривали эту проблему и приходили к тем же решениям.

Превращение волновой функции в реальную штуку устраняет проблему измерения, существующую в копенгагенской интерпретации – измерение перестаёт быть каким-то сверхъестественным процессом, уничтожающим волновую функцию. То, что мы называем «измерением», превращается просто в длинную последовательность взаимодействия квантовых частиц и волновых функций с другими квантовыми частицами и волновыми функциями.

Если вы соберёте детектор частиц и начнёте стрелять в него электронами, то на субатомном уровне электрону совершенно неизвестно, что его измеряют. Он просто сталкивается с атомами экрана, отправляющими электрический сигнал (состоящий из других электронов) по проводу, взаимодействующему с дисплеем, излучающим фотоны, сталкивающиеся с молекулами в ваших глазах – и так далее.

В данном процессе у каждой частицы просто есть своя собственная волновая функция. Все частицы и все волновые функции взаимодействуют друг с другом как обычно, а мы можем использовать инструменты квантовой механики (к примеру, уравнение Шрёдингера), предсказывая то, как они себя поведут.

Кот и уравнение Шрёдингера

Универсальная волновая функция

Однако из-за волновой функции у квантовых частиц есть очень интересное свойство. Две частицы во время взаимодействия не просто сталкиваются друг с другом – на короткий промежуток времени их волновые функции пересекаются. И в этот момент у нас нет двух отдельных волновых функций – вместо них появляется единственная волновая функция, описывающая обе частицы одновременно.

Расходясь по своим отдельным путям, частицы продолжают сохранять общую волновую функцию. Физики называют этот процесс «квантовым запутыванием» — то, что Альберт Эйнштейн называл «пугающим дальнодействием».

Пройдя по всем шагам измерения, в итоге мы приходим к последовательности запутанностей, возникших из наложившихся друг на друга волновых частиц. Электроны запутываются с атомами экрана, которые запутываются с электронами провода, и так далее. Даже частицы нашего мозга запутываются с Землёй благодаря всему тому свету, что приходит и отражается от нашей планеты, и все частицы Вселенной запутываются со всеми остальными.

С каждым новым запутыванием появляется единая волновая функция, описывающая все частицы разом. Очевидным выводом из процесса перевода волновой функции в реальность будет то, что существует единая волновая функция, описывающая всю Вселенную.

Это – т.н. «многомировая» интерпретация квантовой механики. Называют её так из-за ответа на вопрос о том, что происходит в процессе наблюдения. В квантовой механике никогда точно не известно, что сделает частица – иногда она может пойти вверх, иногда вниз, и так далее. В данной интерпретации каждый раз, когда квантовая частица взаимодействует с другой квантовой частицей, универсальная волновая функция расщепляется на несколько секций, и появляются разные вселенные, каждая из которых воплощает один из нескольких возможных результатов.

Так получается мультивселенная. Через простое запутывание квантовых частиц друг с другом мы получаем множество копий вселенной, постоянно возникающих снова и снова. Все они идентичны за исключением крохотной разницы в каком-то из случайных квантовых процессов. А значит, существует множество копий вас, читающих сейчас эту статью, и все они одинаковые, за исключением небольшой квантовой детали.

У этой интерпретации тоже есть свои проблемы – к примеру, как именно организовано расщепление? Однако это радикальный способ взглянуть на Вселенную и продемонстрировать, насколько могущественной может быть квантовая механика. То, что начиналось, как попытка понять субатомные частицы, может в результате стать правилом работы всего космоса.