Брайан Грин - Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности

{147}

Помимо очевидной экстравагантности, имеются и другие спорные проблемы, связанные с многомировой интерпретацией. Например, имеются технические проблемы в определении понятия вероятности в контексте, в котором имеется бесконечное число копий каждого из наблюдателей, чьи измерения, как предполагается, описываются этими вероятностями. Если данный наблюдатель на самом деле является одной из многих копий, в каком смысле мы можем сказать, что он имеет определённую вероятность измерить этот или тот результат? Кто на самом деле есть этот наблюдатель? Каждая копия наблюдателя будет измерять — с вероятностью 1 — любой результат, какой бы ни был получен для той копии вселенной, в которой он находится, так что полная вероятностная схема требует (и требовала, и продолжает требовать) осторожной проверки в рамках многомировой интерпретации. В качестве более технического замечания заметим, что в зависимости от того, как именно определяются «многие миры», может потребоваться выбор привилегированного базиса собственных состояний. Но как должен быть выбран этот собственный базис? Была масса дискуссий и написано много статей по этим вопросам, но на сегодняшний день нет универсально принимаемого решения. Подход, базирующийся на декогеренции, который тоже далее коротко обсуждается, частично проясняет эти проблемы и предлагает особый взгляд на проблему выбора собственного базиса.

Подход Бома или де Бройля-Бома никогда не привлекал большого внимания. Возможно, одна из причин этого, как обратил внимание Джон Белл в своей статье «The Impossible Pilot Wave» в сборнике «Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics», что ни де Бройль, ни Бом не испытывали особенно нежных чувств к тому, что сами разработали. Но, как указал всё тот же Белл, подход де Бройля-Бома преодолевает значительную часть неопределённости и субъективности многих стандартных подходов. Даже если подход неверен, всё же полезно иметь в виду, что частица может иметь определённое положение и определённую скорость в каждый момент времени (за пределами возможности их измерить, даже в принципе) и всё же полностью подчиняться предсказаниям стандартной квантовой механики — неопределённости и всему такому. Другой аргумент против подхода Бома состоит в том, что нелокальность в этой схеме более «жёсткая», чем в стандартной квантовой механике. Это означает, что в подходе Бома с самого начала и как центральный элемент теории предполагается нелокальное взаимодействие (между волновой функцией и частицей), тогда как в стандартной квантовой механике нелокальность скрыта более глубоко и появляется только в нелокальных корреляциях между далеко разнесёнными измерениями. Но, как доказывали сторонники подхода Бома, если что-то скрыто, оно от этого не станет присутствовать меньше и, более того, так как стандартный подход имеет проблемы с квантовым измерением — тем самым местом, где нелокальность и проявляется, — однажды, когда проблема будет полностью решена, нелокальность вполне может оказаться и не столь скрытой. Другие доказывали, что имеются препятствия на пути разработки релятивистской версии подхода Бома, хотя прогресс на этом фронте также имеет место (см., например: Bell J. Beables for Quantum Field Theory в упомянутом выше сборнике). Так что, определённо, стоит держать этот альтернативный подход в уме, хотя бы только как некое средство против поспешных заключений о том, что должно неизбежно следовать из квантовой механики. Для склонного к математике читателя прекрасное рассмотрение теории Бома и проблем квантового запутывания можно найти в книге: Maudlin T. Quantum Non-locality and Relativity. Molden, Mass.: Blackwell, 2002.

Помимо использованного в переводе термина декогеренция, в русскоязычной литературе используется также термин декогерентизация, но использованный в переводе термин декогеренция нам кажется более удачным (и он тоже используется в русскоязычной научной литературе), так как он ближе к оригиналу по звучанию, и, кроме того, термин должен по смыслу быть своеобразным антиподом интерференции, что и поддерживается таким словообразованием. (Прим. ред.)

Для глубокого, хотя и несколько технического обсуждения стрелы времени в целом и роли декогеренции в частности, см.: Zeh H. D. The Physical Basis of the Direction of Time. Heidelberg: Springer, 2001 (см. также интересную, но уже немного устаревшую статью Дитера Цея: Zeh H. D. Quantum theory and time asymmetry. arXiv:quant-ph/0307013 — Прим. ред.).

Только для того чтобы дать вам ощущение, как быстро возникает декогеренция — как быстро влияние окружающей среды подавляет квантовую интерференцию и при этом сводит квантовые вероятности к привычным классическим, — приведём несколько примеров. Числа приблизительны, но смысл, который они передают, ясен. Волновая функция частички пыли, плавающей в вашей комнате и бомбардируемой дрожаниями молекул воздуха, станет декогерентной через примерно миллиардную от миллиардной от миллиардной от миллиардной (10−36) доли секунды. Если частичка пыли содержится в совершенной вакуумной камере и взаимодействует только с солнечным светом, её волновая функция будет декогерировать чуть медленнее, требуя тысячную от миллиардной от миллиардной (10−21) доли секунды. А если частичка пыли плавает в тёмных глубинах пустого пространства и взаимодействует только с реликтовыми микроволновыми фотонами Большого взрыва, её волновая функция станет декогерентной примерно за миллионную долю секунды. Эти числа экстремально малы, а это показывает, что декогеренция для чего-то даже столь крохотного, как частица пыли, происходит очень быстро. Для более крупных объектов декогеренция происходит ещё быстрее. Потому неудивительно, что хотя наша Вселенная и квантовая, мир вокруг нас выглядит так, как он выглядит (см., например: Joos E. Elements of Environmental Decoherence, in Decoherence: Theoretical, Experimental, and Conceptual Problems. Ph. Blanchard, D. Giulini, E. Joos, C. Kiefer, I.-O. Stamatescu, eds. Berlin: Springer, 2000).

Точнее, симметрия между законами в Коннектикуте и законами в Нью-Йорке использует как трансляционную симметрию, так и вращательную симметрию. Когда вы выступаете в Нью-Йорке, вы не только изменили своё положение по сравнению с Коннектикутом, но и, скорее всего, вы осуществили ваше выступление в некотором ином направлении (например, запад вместо севера), чем во время подготовки.

Законы движения Ньютона обычно описываются как применимые для «инерциальных наблюдателей», но если внимательно посмотреть, как такие наблюдатели определяются, получается порочный круг: «инерциальные наблюдатели» — это те наблюдатели, для которых выполняются законы Ньютона. Хорошей областью для размышлений о том, что на самом деле происходит, является то, что законы Ньютона обращают наше внимание на широкий и особенно удобный класс наблюдателей: те, которые описывают движение полностью в соответствии с ньютоновской схемой. По определению, это и есть «инерциальные наблюдатели». На практике «инерциальные наблюдатели» — это те, на которых не действуют никакие силы, т. е. наблюдатели, которые не испытывают ускорения. Общая теория относительности Эйнштейна, напротив, применима ко всем наблюдателям, независимо от состояния их движения.

Если бы мы жили в эпоху, в течение которой все изменения были бы остановлены, мы бы не ощущали течения времени (все функции тела и мозга должны были бы быть также заморожены). Но означало ли это, что пространственно-временно́й блок на рис. 5.1 закончился, или, напротив, он продолжался бы без изменений вдоль оси времени (т. е. закончилось ли время или всё ещё существует в некотором формальном, обобщённом смысле), — гипотетический вопрос, на который и ответить трудно и который в значительной степени не имеет отношения к чему-либо, что мы можем измерить или ощутить. Заметим, что эта гипотетическая ситуация отличается от состояния максимального беспорядка, в котором энтропия не может больше расти, но микроскопические изменения вроде движения молекул газа туда-сюда всё ещё имеют место.

Космическое микроволновое излучение было открыто в 1964 г. учёными из Лаборатории Белла Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном во время тестирования большой антенны, предназначенной для связи со спутниками. Фоновый шум, с которым столкнулись Пензиас и Вильсон, оказалось невозможным удалить (даже после того как они вычистили птичий помёт — «белый шум» — из внутренностей антенны), и благодаря ключевому прозрению Роберта Дике из Принстона и его студентов Петера Ролла и Дэвида Вилинсона, вместе с Джимом Пиблсом, в конце концов было понято, что антенна улавливала микроволновое излучение, которое произвёл Большой взрыв. (Важная работа в космологии, которая послужила основой для этого открытия, была выполнена раньше Георгием Гамовым, Ральфом Алфером и Робертом Германом). Как мы обсудим в последующих главах, фоновая радиация даёт нам подлинную картину Вселенной, когда ей было около 300 000 лет. В это время электрически заряженные частицы вроде электронов и протонов, сильно поглощавшие свет, объединились, сформировав электрически нейтральные атомы, которые, в общем, позволили свету путешествовать почти свободно. С тех самых пор этот древний свет — произведённый на ранних этапах жизни Вселенной — путешествовал беспрепятственно, и сегодня заполняет всё пространство микроволновыми фотонами.