Для нас важно провести четкое различие между математической моделью, которая позволяет использовать квантовую теорию в вычислениях, и онтологической интерпретацией, которая объясняет, что эта теория может сказать нам о реальном мире. Первое — это физика. Второе — метафизика.
Квантовая модель, которая была в значительной степени разработана уже в 1930-е, чрезвычайно преуспела в описании поведения материи в экстремальных условиях — на близких расстояниях, при низких температурах и высоких плотностях. Но из-за того, что методология квантовой механики радикально отличается от методологии классической физики, которая до сих пор отлично работает в других областях, не прекращается вечная дискуссия о том, что все это значит.
В отличие от классических моделей, таких как ньютоновская механика или теория относительности Эйнштейна (которую в данном контексте можно считать классической), квантовая модель не может предсказать, где будет находиться частица через какое-то время, а может только определить вероятность того, что она окажется в определенной области пространства. Вероятность на единицу объема считается равной квадрату амплитуды математического объекта, называемого волновой функцией, или, в более общем смысле, вектором состояния (см. главу 6).
В 1920-е Нильс Бор и Вернер Гейзенберг сформулировали то, что сейчас называется копенгагенской интерпретацией квантовой механики. Хотя за многие годы теория претерпела бесчисленные изменения и принимала многие формы, долгое время копенгагенская интерпретация лучше всего подходила на роль общепринятого философского представления о смысле квантовой механики. Поскольку она имеет множество вариаций, часть из которых получили другие имена, я не буду пытаться представить исчерпывающий обзор, а лучше остановлюсь на нескольких основных идеях, общих для большинства интерпретаций, которые более или менее совпадают с копенгагенской.
В основе этих интерпретаций лежит фундаментальная предпосылка, что отдельные физические события не предопределяются законами физики, как в ньютоновской механике, а происходят спонтанно. Однако статистическое поведение групп похожих событий предопределено, и именно это описывает математическая модель.
Например, если атом в возбужденном состоянии переходит в более низкое энергетическое состояние и испускает фотон, это конкретное событие не предопределено, что на практике значит, что оно непредсказуемо. Однако интенсивность конкретной линии спектра, которая образуется от большого количества фотонов, участвующих в таком же переходе, может быть вычислена точно.
Аналогично ни одна существующая теория не может предсказать, что конкретное радиоактивное ядро распадется в определенный момент, но гипотеза о том, что такой распад может с равной вероятностью произойти в любой момент заданного временного интервала, дает «закон» экспоненциального радиоактивного распада, который соблюдается с исключительной точностью, По сути, и этот результат, и описанный ранее случай изомерного перехода обеспечивают строгие эмпирические свидетельства того, что эти процессы не предопределены. То есть эти события случайны не из-за нашего невежества. Они действительно случайны.
Для нашего разговора о множественных мирах принципиально, что копенгагенская интерпретация считает измерительные приборы классическими системами, поэтому акт измерения представляет собой переход от квантовой физики к классической, который не описывается теорией, но подразумевается при акте измерения. До того как измерено положение частицы, волновая функция дает вероятности для области пространства, о которой известно, что в ней находится частица. Если ничего не известно, частица может быть где угодно во Вселенной. После измерения становится известно, что частица находится в пределах детектора, и говорят, что волновая функция мгновенно схлопывается, давая новую вероятность. Это проиллюстрировано на рис. 15.3.
Эйнштейн возражал против самой идеи мгновенного схлопывания волновой функции, называя его «жутким дальнодействием»
. Схлопывание волновой функции должно происходить быстрее скорости света, по сути, с бесконечной скоростью.
Большинство распространенных интерпретаций квантовой механики обычно называют детерминистическими в том смысле, что статистические вероятности, которые даются волновой функцией или вектором состояния, предопределены в теории подобно тому, как движение частицы предопределено в ньютоновской механике. Однако в данном случае статистически определено коллективное поведение ансамбля идентичных систем, а не поведение отдельной системы. Я предпочитаю называть квантовую механику недетерминистической.
Рис. 15.3. Иллюстрация коллапса волновой функции электрона. После прохождения через большое отверстие в экране волновая функция распределена по области пространства размером примерно с отверстие. После измерения она схлопывается до размера детектора. Следует отметить, что в данном примере электрон имел равную априорную вероятность обнаружения на А и на Б. Авторская иллюстрация
Теперь давайте рассмотрим некоторые альтернативные точки зрения. В 1950-е Дэвид Бом предложил интерпретацию квантовой механики, основанную на значительно более ранней идее Луи де Бройля, в которой движение частиц предопределено. Это движение управляется скрытыми субквантовыми силами, которые де Бройль назвал «волнами-пилотами»
. Хотя модель, основанная на этой интерпретации, в принципе детерминистична, она не предсказывает движение отдельных частиц. Она дает все те же статистические предсказания, что и все остальные интерпретации
.
В своей докторской диссертации 1957 года, защищенной в Принстонском университете, Хью Эверетт III представил блестящую новую математическую формулировку квантовой механики. В ней он исключил искусственное разграничение между сферами действия квантовой и классической физики, которое существовало в копенгагенской интерпретации, а также отделался от коллапса волновой функции
. И то и другое было значительным улучшением. Формулы Эверетта включали детектор вместе с наблюдаемым объектом в полную квантовую систему и заключали в себе все возможные результаты эксперимента.
В то время как математика Эверетта была безукоризненна, другие авторы попытались придать модели философскую интерпретацию, в которой при каждом акте измерения Вселенная (на самом деле) разделяется на две отдельные несвязанные вселенные
. Она получила известность как многомировая интерпретация квантовой механики.
Рассмотрим ситуацию, показанную на рис. 153. Электрон может быть с равной вероятностью обнаружен на А или на Б. Вместо коллапса волновой функции математические формулы Эверетта считают обе возможности реализованными. В онтологической многомировой интерпретации эти два события происходят в отдельных вселенных, или мирах. В одном мире электрон сталкивается с А. В другом мире он сталкивается с Б. Если вероятность столкновения с А равна 3/4, а с Б — 1/4, то мы имеем четыре мира, в трех из которых электрон сталкивается с А, а в одном — с Б. Таким образом объясняется статистическая природа квантовой механики.
